IFNβ x TLR9

摘要：近几十年来，疫苗一直是预防病原体传播和癌症的非凡资源。即使它们可以由单一抗原形成，但添加一个或多个佐剂是增强免疫信号对抗原反应的关键，从而加速并增加保护效果的持续时间和效力。它们的使用对于脆弱人群，如老年人或免疫功能低下的人尤其重要。尽管佐剂非常重要，但只是在过去的四十年里，对新型佐剂的寻找才有所增加，发现了新的免疫增强剂和免疫调节剂类别。由于涉及免疫信号激活的级联反应的复杂性，它们的作用机制仍然不甚了解，即使得益于重组技术和代谢组学，最近已经取得了显著的发现。本综述着重于研究中的佐剂类别、近期作用机制研究，以及纳米输送系统和可以化学操纵以创造新型小分子佐剂的新型佐剂类别。 1.引言 佐剂——根据该词的拉丁语词源（adjuvare，意为“帮助”）——被定义为添加到疫苗中以增强免疫系统对抗原的反应并延长其持续时间的物质。在疫苗开发中使用佐剂利用了这些物质可以提供的许多好处，例如减少每次接种剂量所需的抗原量和加强接种的频率，或通过延长其半衰期改善抗原成分的稳定性，从而增强其免疫原性。佐剂可以根据其作用机制、化学性质或来源（合成、天然、内源性）进行分类。佐剂超级家族包括许多不同的物质，特别是能够激活或增强免疫信号或传递系统的小分子或大分子。免疫增强剂是能够在成人或脆弱人群中激活免疫信号的化合物；其中包括模式识别受体（PRRs）的激动剂，如RIG-I样受体（RLR）、干扰素基因（STING）、Toll样受体（TLR）和NOD样受体（NLRs）。传递系统是能够改善和延长疫苗保护的佐剂，如乳液和纳米制剂，类似于脂质体、病毒样颗粒和病毒体。根据所需的免疫反应类型，抗原应与适当的佐剂或佐剂组合正确配制，以获得尽可能少的副作用的最佳反应。到目前为止，已经开发出适当的配方，特别是通过结合不同的佐剂家族，尤其是铝盐与脂质体或乳液。确定适当的佐剂组合可能极为重要，目前许多临床研究正在进行中，以研究它们在不同病理情况下的疗效，特别是在癌症方面。由于佐剂的应用范围从病原体到过敏、自身免疫性疾病和癌症，需要正确理解关键机制，以便只针对特定途径，避免潜在的毒性。即使疫苗试验遵循严格的指导方针，多年来也出现了许多关于其安全性的担忧，特别是在COVID-19疫苗接种活动期间。疫苗的潜在毒性有时归因于所含佐剂。最近还对最成熟和最安全的佐剂，如铝衍生物的潜在毒性表示担忧。即使铝含量在许可的佐剂中每剂从0.8到0.125毫克不等，但近年来出现了关于神经毒性和自闭症的担忧。相比之下，其他研究表明铝的神经毒性是在长期服用后发生的，监管机构将铝在食品中的可容忍周摄入量（TWI）限制在每公斤体重1毫克。有趣的是，有时佐剂由脂质构成，如纳米制剂的脂质体，或其他内源性无风险大分子。EMA和FDA已经批准了47种疫苗，但这些制剂中包含的大多数佐剂是最早的铝佐剂类成员，或脂质体制剂。这种选择可能是由于这些佐剂类的已知耐受性，以及寻找新化合物的相关成本。事实上，近年来发现了不同类别的小分子免疫增强剂；然而，与药物一样，这些化合物需要适当的、耗时的临床前和临床试验来评估它们的疗效和安全性。在最近和最有趣的类别中，报告了几种PRR激动剂，对成人群体具有有希望的结果。最近的研究表明，能够通过线粒体应激途径激活免疫反应的小分子具有通过PRR途径激活免疫反应的效力。本综述着重于作用机制，开发的佐剂类别，特别强调可以针对的新的途径，以创建新的佐剂。 2.佐剂作用机制 尽管佐剂通常用于数十亿剂疫苗的配方中，但其作用机制仍然不甚了解。因此，深入理解作用方式和参与免疫系统对病原体反应的免疫机制是开发新佐剂的关键步骤。最近，人们非常关注更深入地理解疫苗佐剂如何刺激免疫反应。由于最近在免疫学研究方面的进展，已经有可能阐明佐剂作用的一些机制，如储存效应和细胞因子和趋化因子的释放，免疫细胞在注射部位的动员，适应性免疫反应的诱导，增加抗原免疫原性，以及抗原呈递细胞（APCs）的激活。阐明佐剂发挥作用的所有机制将提供关于自适应免疫如何由先天免疫促进的关键信息，并有助于开发新的强效疫苗。可以使用广泛因素对佐剂进行分类，包括它们的物理化学特性、起源和作用模式；最受欢迎的分类方案将疫苗佐剂分为两组，传递系统和免疫刺激剂。另一类佐剂由粘膜佐剂组成，可以作为传递载体或免疫刺激化合物，如壳聚糖及其衍生物（N-三甲基和单-N-羧甲基壳聚糖）、霍乱毒素（CT）和热敏肠毒素（LTK3和LTR72）。表1中报告了新的传递系统佐剂。传统上，传递载体仅作为免疫刺激佐剂的储存库，以激活先天免疫系统的细胞。由于现在有证据表明一些传递机制可以激活先天免疫，这种分类不再准确。事实上，传递载体佐剂既作为抗原载体，又通过激活先天免疫系统引起局部促炎反应，导致免疫细胞被招募到注射部位。抗原-佐剂复合物通过作为病原体相关分子模式（PAMPs）激活模式识别受体（PRR）途径。这些现象导致先天免疫细胞的激活，导致细胞因子和趋化因子的释放，这是免疫增强剂佐剂利用的相同作用模式。免疫佐剂（表1）是通过直接刺激先天免疫系统来增强抗体产生的免疫增强剂化合物。此外，作为免疫调节剂的佐剂可以刺激特定类型的细胞因子的产生，从而增强免疫系统的反应。例如，铝盐、弗氏佐剂和CpG寡脱氧核苷酸已被报道能够诱导产生和释放一些参与调节先天和适应性免疫的细胞因子，如干扰素（IFNs）、干扰素-γ（IFN-γ）和白细胞介素（IL2和IL12）。已有几种细胞因子被报道作为免疫增强剂佐剂，刺激抗原特异性血清/粘膜抗体和细胞介导的免疫。在这类物质中，最知名的细胞因子佐剂是粒细胞/巨噬细胞集落刺激因子（GM-CSF）、IFN、趋化因子和一些白细胞介素（IL-1, IL-2, IL-12-IL-15, IL-18）[15]。此外，免疫刺激剂对于招募免疫细胞（如巨噬细胞、中性粒细胞和树突细胞（DCs））、激活APCs以及疫苗在注射部位的长期积累非常有用。最近的研究将Toll样受体（TLR）与自身免疫系统联系起来，发现了TLR激活先天免疫系统导致适应性免疫和炎症反应诱导的机制，确保了持久保护。 佐剂可以作为传递系统，捕获、吸附或聚集抗原，并随时间缓慢释放它们。这种被称为"贮存效应"（图1a）的机制发生在注射部位，佐剂通过防止由于肝脏清除导致的抗原移除，增强了疫苗的半衰期，并确保了免疫系统的持续刺激，从而产生高抗体滴度。多年来，许多通过贮存效应发挥作用的佐剂被描述出来，如脂质体、乳液（油包水和水包油）、病毒体，以及脂质或聚合物纳米颗粒（NPs）。其中一些已被开发来模拟病原体膜，以运输、保存和释放抗原，并同时增强其免疫原性功能。几种类型的脂质体，如传统的脂质体、多层囊泡（MLVs）或固体核心脂质体，也通过促进贮存效应发挥作用。油包水乳液，如完全弗氏佐剂（CFA），以及一些NPs也通过确保持久免疫反应的贮存效应发挥作用。 图1. (a) 贮存效应及细胞因子和趋化因子的募集。(b) 免疫细胞的募集和炎症体的激活。 颗粒佐剂可以通过利用几种机制诱导免疫反应，例如上调细胞因子和趋化因子的释放，诱导注射部位的炎症状态，激活炎症级联反应，并招募先天免疫细胞。例如，油包水（o/w）乳液MF59和AS03刺激免疫细胞（中性粒细胞、单核细胞、巨噬细胞和树突细胞）的募集，这些细胞将抗原和佐剂运输到更接近的淋巴结。免疫细胞在注射部位的募集诱导半胱氨酸蛋白酶的激活，导致进一步释放趋化因子（IL-18、IL-33、IL-1β），吸引其他树突细胞并延长这一现象（图1b）。此外，MF59和AS03在注射部位增加了CCR2、白细胞募集趋化因子（例如CCL2、CCL3和CCL5）以及集落刺激因子3（CSF3）的表达。同样，明矾在注射后诱导局部促炎微环境，引发补体级联反应，导致从血液流中招募免疫细胞。炎症体是先天免疫系统的重要组成部分。它们是针对病原体的有效免疫反应所必需的。当炎症体被激活时，细胞分泌促炎细胞因子，如IL-18、IL-33和IL-1β，这些细胞因子增强适应性免疫反应（图1b）。炎症体是由工作成分组成的细胞质蛋白信号通路，如富含亮氨酸的重复（LRR）C末端或DNA结合域（HIN200）、caspase-1效应物和适配蛋白ASC，这些蛋白激活炎症caspases。粒细胞、T细胞和B细胞、单核细胞、肝细胞、神经元、小胶质细胞和朗格汉斯细胞都表达炎症体，负责识别病原体并启动先天免疫反应。当炎症体被激活时，它蛋白水解裂解前caspase 1，释放活性形式，将前IL-1β和前IL-18转化为活性物种。ILs从细胞释放后，启动炎症并诱导保护免受病原体侵害的免疫反应。此外，IL-18激活淋巴细胞并刺激T细胞和B细胞的增殖，自然杀伤细胞（NKs）的活性，以及IFN-γ、TNF、IL-1和IL-2的分泌。因此，作为炎症体激活剂的佐剂是增强和维持免疫反应强度的成功策略。这些佐剂通过类似的机制激活炎症体，包括溶酶体降解、cathepsin释放和活性氧（ROS）的形成。在炎症体激活剂中，可以找到如铝盐、壳聚糖、皂素、鞭毛蛋白和合成阳离子聚合物等佐剂。铝盐诱导溶酶体损伤，诱导参与炎症体形成的cathepsin B的产生，特别是NOD样受体蛋白3（NLRP3）；活性炎症体触发caspase-1并刺激细胞因子的释放。壳聚糖和由合成阳离子聚合物制成的纳米颗粒激活NLRP3炎症体，并增强多种白细胞介素（IL-2、IL-4、IL-6、IL-10、IL-17A和TNF）、IFN和IgG滴度的分泌，增强细胞和体液免疫反应。 佐剂可以通过一系列机制增强疫苗的免疫反应，如贮存效应和刺激先天免疫。先天免疫代表了针对病原体的第一道防线。事实上，早期识别病原体是发展适应性免疫反应的关键步骤。佐剂可以通过激活细胞模式识别受体（PRRs），识别PAMPs和损伤相关分子模式（DAMPs），刺激抗原呈递细胞（APCs）。由于在先天免疫系统中的中心作用，PRRs代表了新佐剂的战略目标。在PRRs超家族中，区分为表面和内体受体的Toll样受体（TLRs）是很有前途的佐剂目标，因为它们可以诱导信号通路，从而诱导关键转录因子的产生，如核因子-B（NF-B）。佐剂也可以用于靶向内体PRRs，如寡聚化结构域样受体（NLRs）和视黄酸诱导基因I样受体（RLRs）（图2a）。定位与它们的性质密切相关；事实上，血浆TLR识别病原体蛋白和脂质，而内体受体则由核酸激活。TLR通过MyD88途径诱导NF-kB，导致促炎细胞因子的释放。基于TLR的佐剂复制了感染期间产生的PAMPs，因此可以非常有效地对抗通常诱导PRRs的病原体或疾病。尽管PRR激动剂具有出色的免疫刺激性效果，但它们作为疫苗佐剂的使用受到高制造成本的限制，这代表了未来临床应用的限制。APCs，如树突细胞（DCs），表达各种PRRs，使它们能够识别多种病原体成分。当PRRs被PAMPs激活时，它们启动复杂的信号级联反应，导致细胞因子和趋化因子的产生，包括干扰素（IFNs），增强抗原呈递能力，以及DCs向淋巴组织的迁移，在那里它们与T细胞和B淋巴细胞相互作用，启动和塑造适应性免疫反应。成熟的DCs也可以刺激naive CD4+ T细胞分化为不同的T辅助（Th）亚群（例如，Th1和Th2细胞），帮助B细胞产生抗体。几种细胞因子调节Th细胞分化；例如，如IL-12、IL-15和IL-27等细胞因子调节naive CD4+ T淋巴细胞向Th1细胞的发展。总之，Th1细胞主要响应于细胞内病原体，如病毒和一些细菌，而Th2细胞主要响应于大型细胞外寄生虫。DCs还能够刺激naive细胞毒性CD8+ T细胞成为活化的CD8+ T细胞。这种现象称为“交叉呈递”，对于诱导针对外源性抗原的强大和持久的细胞免疫，以及有效预防病毒疾病和癌症是必要的。目前尚不清楚外源性抗原是如何在DCs中处理并呈现给MHCI上的CD8+ T淋巴细胞的；然而，已经提出了两种不同的机制。在细胞质途径中，抗原通过内体囊泡进入细胞质，并被蛋白酶体降解。在囊泡途径中，抗原在溶酶体隔室中被降解，独立于蛋白酶体活性。铝、皂素和TLR佐剂可以利用这种机制。 图2. (a) 表面和内体 TLR 激活。(b) 增强抗原呈递。由主要组织相容性复合物（MHC）在抗原呈递细胞（APCs）上呈递的抗原，是激活适应性免疫的关键步骤。许多佐剂，如明矾、乳液和纳米颗粒（NPs），被认为通过"靶向"抗原到APCs，增强MHC的抗原呈递功能。迄今为止，尚不清楚佐剂增加抗原呈递的机制是否有助于适应性免疫系统的发展。例如，明矾已被证明可以增强树突细胞对抗原的摄取，以及延长抗原呈递的持续时间。抗原大小似乎在调节抗原呈递效率方面很重要。在早期内体/吞噬体中发现了大的脂质囊泡，它们增加了抗原呈递，而在晚期溶酶体中发现了较小的囊泡，它们减少了抗原呈递。 3.佐剂类型  3.1.铝盐  基于铝的佐剂（ABA）最早发现于1926年，目前是全球疫苗中最常用的佐剂。最初使用的铝佐剂是硫酸铝钾，通常称为"明矾"，通过将抗原溶液和佐剂与碱直接沉淀制备而成（明矾沉淀疫苗）。今天，抗原被吸附到预先形成的铝盐凝胶上（直接吸附），在商业制剂的标准化和可重复性方面提供了更多的优势。目前，传统使用的明矾几乎完全被类氢氧化铝（Alhydrogel?，Croda，丹麦Frederikssund）和非晶磷酸铝（AdjuPhos?，Croda，丹麦Frederikssund）所取代。两种新型佐剂是硫酸铝羟磷酸盐（AAHS），目前用于某些人类乳头瘤病毒（HPV）疫苗的配方和Imject? Alum（Pierce，Rockford，美国），由非晶碳酸铝和结晶氧化镁组成。在人类疫苗接种中，ABA主要用于针对破伤风、白喉、百日咳、脊髓灰质炎、甲型和乙型肝炎以及人类乳头瘤病毒（HPV）的疫苗。FDA批准的含有ABA的人类疫苗列表见表2。ABA也在兽医疫苗中广泛应用，用于预防细菌、病毒和寄生虫感染。 尽管使用历史悠久，但关于ABA（铝盐佐剂）免疫刺激特性背后的机制仍需进一步阐明。最初，ABA的佐剂特性首先归因于"贮存效应"。根据这一假设，抗原颗粒从不溶性盐颗粒中缓慢释放到体内，随着时间的推移，允许抗原对免疫系统的长期暴露和强化的免疫刺激，从而产生更高的抗体滴度。然而，最近的发现挑战了这一理论，证明抗原在接种部位的保留并不是免疫反应所必需的，而是接种部位炎症的程度才是佐剂效应的解释。因此，除了作为缓释系统外，ABA对免疫刺激还有其他主要影响，如先天免疫细胞的募集和激活、炎症介质的释放以及通过诱导Th2细胞激活适应性免疫。 给药后，先天炎症细胞，如中性粒细胞、嗜酸性粒细胞、树突细胞（DC）和单核细胞，被招募到注射部位。尽管许多免疫佐剂的活性基于Toll样受体（TLR）信号，但铝盐显然不引起基于TLR的反应。与在细胞损伤后释放到细胞质中的不溶性单体尿酸钠（MSU）晶体的尿酸类似，已经显示ABA的颗粒性质促进了巨噬细胞的吞噬作用和APCs中抗原的摄取。此外，ABA的细胞毒性诱导了热休克蛋白（如hsp70）和其他DAMPs（如MSU形式的尿酸）的分泌。NLR家族含吡啉结构域3（NLRP3）是核苷酸结合寡聚化结构域（NOD）样受体家族（NLR）的成员，是一种细胞质模式识别受体（PRR），在调节先天免疫信号中起着至关重要的作用。NLRP3通过钾离子外流激活，作为膜完整性的感应器。当被ATP、石棉、硅石、铝佐剂或MSU等刺激触发时，NLRP3与适配蛋白凋亡相关斑点蛋白含有CARD（ASC）和非活性前caspase-1结合形成NLRP3炎症体多聚体复合物。前caspase-1的自蛋白解剪切为活性caspase-1，将促炎细胞因子前体pro-IL-1β、pro-IL-18和pro-IL-33裂解为它们的活性和分泌形式。有假设认为，铝盐可能通过直接方式激活NLRP3炎症体，通过吞噬溶酶体损伤和随后的cathepsin B释放，或者通过MSU的间接释放。除了NLRP3介导的炎症外，哨兵细胞极化为活跃的巨噬细胞和APCs，增加了吞噬体活性氧物种（ROS）的产生，吞噬体酸化干扰和通过低氧诱导转录因子-1α（HIF-1α）的细胞代谢重编程，是最近揭示的对ABA免疫刺激特性有贡献的其他机制（图3）。 图 3. 基于铝的佐剂（ABA）的效果。 哨兵细胞激活为抗原呈递细胞（APCs）对适应性反应至关重要，从而将先天免疫与适应性免疫联系起来。ABA通过主要组织相容性复合体II类（MHCII）分子增加活化树突细胞上的抗原呈递。MHCII抗原呈递位点激活CD4+ T细胞，这些细胞分化并激活B细胞，进而主要产生IgG，推动体液免疫。铝盐优先增强抗体介导的免疫反应，通过TFH细胞和IL-4信号，结果产生IgG1并诱导Th2细胞分化，这些细胞通过IgE推动嗜酸性粒细胞炎症反应。与强烈的Th2反应相比，明矾对需要Th1细胞介导保护的感染效果较差。在小鼠研究中，已证明明矾间接抑制Th1反应，原因是IL-4激活。通过Th1反应产生的淋巴因子是补体固定IgG2a抗体的基本诱导因子，因此是巨噬细胞的刺激因子。此外，先天免疫系统的细胞可以发展适应性特性（“训练免疫”），并且铝佐剂可能涉及训练免疫的诱导。然而，NLRP3炎症体和caspase-1在抗体反应诱导中的作用仍然存在争议。经过近一个世纪的使用，铝盐仍然是疫苗佐剂的里程碑，因为它们具有确立的安全性和有效性记录。ABA非常耐受，并且仅报告了一些轻微的局部反应，如注射部位疼痛、肿胀、红斑，以及罕见的肉芽肿和过敏反应，这些反映了它们通过炎症体激活、促炎介质、吞噬细胞积累和抗体产生的作用模式。在一些免疫接种对象中还描述了接触性皮炎的罕见病例，注射后头痛、关节痛和肌痛以及持续性肿胀。有关铝佐剂长期毒性的辩论引起了广泛关注，包括如阿尔茨海默病（AD）、慢性自身免疫和多发性硬化症等影响。由佐剂引起的自身免疫综合征（ASIA）指的是一组不良效应，包括海湾战争综合征、巨噬细胞性肌筋膜炎、硅肺症和与佐剂暴露相关的接种后现象。此外，由于铝离子在AD的发病机制中被牵连，人们对ABA的生物持久性和潜在神经毒性提出了担忧，但这种相关性从未被证明。尽管需要进一步的知识来更新和确认ABA的安全概况，但作为佐剂的铝盐的风险-效益概况仍然极其积极，并确认它们作为疫苗佐剂的黄金标准。 3.2.STING激动剂佐剂 环状GMP-AMP合酶/干扰素基因刺激因子（cGAS/STING）途径是先天免疫系统胞质模式识别受体（PRRs）网络的一部分，监测细胞质以感知危险刺激。途径的刺激激活下游的核因子-κB（NF-κB）和干扰素调节因子3（IRF3），增加I型干扰素（IFN-1）和其他促炎细胞因子的转录，从而增强抗原呈递和免疫反应。cGAS/STING在免疫调节中的关键作用使其成为免疫疗法的重要靶点，特别是与癌症相关的，并且是使用STING激动剂作为有前途的疫苗佐剂的理由。STING激动剂（图4）主要在肿瘤学和病毒学中应用，包括环状二核苷酸（CDNs）、非核苷小分子（NCDNs）、胞质双链DNA（dsDNA）、锰离子、可电离脂质和聚合物。如20,3-环状鸟苷酸-腺苷酸（cGAMP）、环状二聚鸟苷酸（c-di-GMP）或环状二聚腺苷酸（c-di-AMP）等环状二核苷酸是途径的天然激动剂，但它们由于高极性和由于外切核苷酸焦磷酸酶/磷酸二酯酶（ENPP1）酶降解导致的短半衰期，其药代动力学（PK）特性较差，大大限制了它们的使用。为了改善环状二核苷酸的PK特性，已经测试了如ADU-S100的磷酸衍生物，ENPP1抑制剂也是一个有前途的新策略。为了选择活性更好的候选物，寻找模仿CDNs和STING结合构象的刚性类似物的研究导致了一类新的激动剂，即大环桥接刺激剂（MBS），如E7766。为了克服环状二核苷酸的PK限制，研究还集中在NCDNs上，如黄酮类5,6-二甲基黄酮-4-乙酸（DMXAA）和α-芒果苷，以及二聚酰胺苯并咪唑（diABZI）衍生物，这些在肿瘤免疫疗法和针对严重急性呼吸综合征冠状病毒2（SARS-CoV-2）方面取得了有希望的结果。 图 4. 小分子STING激动剂的二维结构 作为触发STING途径的一种方式，诱导细胞质双链DNA (dsDNA) 释放的策略也被采用，例如使用放疗、基于明矾的佐剂，以及化疗药物，如顺铂或多柔比星。无机锰被发现能激活cGAS，并通过增强第二信使cGAMP的产生，充当STING的间接激动剂。在其他激动剂类别中，我们列举了聚合物，如壳聚糖或PC7A，以及基于纳米粒子的可电离脂质。目前在临床试验中的STING激动剂总结在表3中。 cGAS/STING信号的触发因素是细胞质dsDNA，这是细胞损伤的重要标志。因此，cGAS作为直接的DNA受体，催化dsDNA转化为第二信使cGAMP，这诱导了STING的激活和寡聚化。STING寡聚体激活TANK结合激酶1 (TBK1)，它招募IRF3并通过NF-κB诱导I型干扰素刺激基因的转录。下游自噬的诱导和NLRP3炎症体的激活增加了病原体清除，并在自身免疫和炎症性疾病、衰老以及与肿瘤相关的炎症中具有重要意义。STING激动剂通常与环状二核苷酸有关，如cGAMP、c-di-GMP和c-di-AMP，它们作为各种微生物的代谢产物被发现。 STING途径的激动剂能直接诱导树突细胞的成熟和MHCII分子的上调，增加抗原呈递、T细胞的启动，并通过炎症细胞因子间接促进前述效应。STING激动剂还增强适应性免疫反应，通过IgG1和IgG2的产生、脾脏生发中心的诱导以及记忆B细胞的刺激来增强体液免疫。此外，I型干扰素诱导CD4 T细胞分化为Th1和TFH细胞，显著帮助B细胞的启动，也促进CD8 T细胞的激活和增殖，这对抗击耐药肿瘤细胞很重要。通过STING刺激协调的多种免疫反应使得这一途径成为免疫疗法的一个有吸引力的靶点。尽管cGAS/STING的急性激活无疑对病原体和癌细胞有益处，但慢性激活可能导致由IFN驱动的系统性炎症，引发细胞因子风暴（细胞因子释放综合征），类似于败血症。除了可能诱发系统性炎症反应外，STING过度刺激引起的其他主要问题包括缺乏细胞和组织特异性以及淋巴细胞毒性。这些前提，加上具有挑战性的药代动力学特性，使得STING激动剂的全身给药情况复杂化，它们通常在肿瘤内给药。使用药物载体技术，如纳米粒子、基于脂质的载体和抗体至关重要，以实现更选择性的靶向，结合改善的传递和功效。尽管它们的药代动力学具有挑战性，且全身使用的疗效指数较窄，STING激动剂代表了一个非常有前途的佐剂类别，需要优化它们的制剂以进一步提高其佐剂性。 3.3.TLR配体 3.3.1.Toll样受体 市场上的大多数疫苗主要由单一佐剂组成，但通常保护性免疫反应并未达到有效使用疫苗的标准。因此，显著的Toll样受体（TLR）是先天免疫的关键组成部分，提供防御性炎症反应以抵御入侵的病原体。人类TLR包括10个成员（TLR1-10），可以跨越细胞表面（TLR1、2、4、5、6、10）或定位在内质网膜（TLR3、7、8、9）上，并参与不同PAMPs（表4）的识别。PAMPs的结合诱导TLR同二聚体（TLR3、4、5、7、8、9）或异二聚体（TLR1/2或TLR2/6）的形成，将两个toll/IL-1受体（TIR）结构域聚集在一起，允许适配蛋白MyD88（髓样分化初级反应-88）与复合物结合。TLR3是唯一结合不同适配蛋白的受体，即含有TIR结构域的适配蛋白-诱导干扰素-β（TRIF）蛋白。与其他TLR不同，TLR4信号可以通过涉及MyD88信号适配蛋白或TRIF的两条独立途径进行。一旦激活，TLR将增加免疫细胞的迁移并引发适应性免疫反应。 由于TLRs作为免疫增强剂，它们的激动剂可以用作疫苗佐剂。疫苗产生的免疫反应类型取决于由特定TLR及其适配蛋白激活的信号通路。虽然大多数TLR途径导致Th1免疫反应，TLR2诱导Th0、Th1或Th2反应，TLR3激活NF-κB途径。表1总结了疫苗配方中使用的几种TLR激动剂，TLR激动剂的结构报告在图5中，临床试验中的TLR激动剂在表5中。 3.3.2.TLR2激动剂 TLR2可以识别许多PAMPs，因为它们可以与TLR1和TLR6形成异二聚体。L-pampo是由PAM3CSK4（PAM3）、TLR1/2、聚(I:C)和TLR3构成的复杂系统，是一种有效的佐剂。它在乙型肝炎病毒（HBV）疫苗中使用，诱导细胞介导的免疫反应，增加CD4+ T细胞水平。目前，它正在作为使用RBD（受体结合域）、S1抗原和RBD-Fc作为病毒抗原的SARS-CoV-2疫苗的佐剂进行研究，已被证明能引发强烈的体液和细胞免疫反应。 TLR2识别细菌脂蛋白，因此，由细菌LPS衍生的合成脂肽作为疫苗佐剂被开发出来。MALP2（巨噬细胞激活脂肽2，图5）来源于支原体发酵，利用TLR2-MyD88信号通路激活免疫细胞。PAM2CSK4和PAM3CSK4是两种作为疫苗佐剂评估的TLR2激动剂，用于对抗利什曼病、疟疾和流感。由于它们的尺寸、化学复杂性和疏水性，TLR2激动剂通常不用于疫苗开发，即使在固相自动肽合成研究可以帮助发现新的更简单的衍生物。 图5.小分子Toll样受体激动剂的2D结构。TLR2激动剂（紫罗兰色上部） 面板）、TLR4 激动剂（青色，中间面板）、TLR 7/8 激动剂（绿色，下面板）。 3.3.3.TLR3激动剂 TLR3是内体受体，能够检测病毒dsRNA。聚(I:C)是一种结构类似于病毒RNA的佐剂。它能够诱导IFN-I和IFN-III的产生，并刺激Th1细胞因子反应。MVS途径（RIG-1和/或MDA5）的激活会导致人类毒性，因此开发了新的聚(I:C)衍生物，聚(ICLC)和聚(IC12U)。 聚(ICLC)是一种聚-L-赖氨酸羧甲基纤维素，能刺激干扰素的产生。它诱导炎症体和补体系统的表达，并在针对恶性疟原虫、HIV和癌症的疫苗候选中使用，显示出引发Th1反应的强能力。由于这种佐剂的高度免疫刺激性和对血清核酸酶的高抗性，设计了聚(IC12U)。这种新物质显示了尿嘧啶和鸟嘌呤残基的错配，导致毒性较低（不与MDA5结合），以及IFN-I的产生减少。 3.3.4. TLR4激动剂 TLR4通过MD-2（髓样分化因子-2）和CD14识别细菌脂多糖。LPS的免疫刺激性活性是由于脂质A区域，并且脂肪酸链的变化反映了不同的生物活性。Eritoran是一种TLR4-MD2激动剂。它是一种由脂质A衍生的合成物，其特点是含有四个脂质链，其中一个含有顺式双键。3-O-去酰基-40'-单磷酸脂质A（MPLA，图5）和葡萄糖基脂质A（GLA）表现出低致热性和强免疫增强特性。LeIF（利什曼原虫真核起始因子）和neoseptins（合成肽模拟化合物，图5）是两种非糖脂配体，它们不像LPS，但能够像天然配体一样激活TLR4。在THP-1细胞中筛选激活NF-κB途径的小分子化合物，发现了一种属于吡啶并吲哚类的特定TLR4激动剂（1Z105，图5）。1Z105被确定为安全的TLR4激动剂，其他研究目前正在进行中。TLR4可以激活一个强大的TRIF介导的细胞反应，其特征是多能CD8+/CD4+ T细胞的存在和对癌症和传染病的CTL活性增强。 3.3.5.TLR5激动剂 TLR5由多种免疫细胞表达，参与细菌鞭毛蛋白的识别。配体与TLR5的结合诱导炎症途径的激活，释放包括TNFα、IL-1β、IL-6和一氧化氮在内的炎症介质，引发Th1和Th2反应。当与抗原一起给予时，鞭毛蛋白诱导粘膜免疫反应，这对于保护免受呼吸和胃肠道感染至关重要。鼠伤寒沙门氏菌的鞭毛蛋白已与PR8流感病毒（IPR8）、HA（H5N1）或禽流感病毒（AIV）H5N1抗原配方，证明它能引发强烈的免疫反应，包括IgA的产生。对鞭毛蛋白的修改导致了嵌合鞭毛蛋白或活细菌中的鞭毛蛋白抗原复合物，如结核分枝杆菌、霍乱弧菌、化脓性链球菌、单核细胞增生李斯特菌、肠毒素大肠杆菌（ETEC）等，并在动物模型中使用。三种使用鞭毛蛋白作为佐剂的疫苗正在进行临床试验阶段，其中两种针对流感病毒，一种针对鼠疫耶尔森菌。 3.3.6.TLR7/8激动剂 TLR7/8能够诱导Th1免疫反应，并产生高水平的I型干扰素、IL-12、TNF-α和IL-1β。TLR7/8和TLR9激动剂能够激活并促进cDCs（常规树突细胞）和浆细胞样树突细胞（pDCs）的克隆扩展，动员CD14+ CD16+炎症单核细胞和CD14dimCD16+巡逻单核细胞。Imiquimod（R837，图5）目前已获批准并用于治疗生殖器疣、表浅基底细胞癌和日光角化病。另一种异喹啉衍生物resiquimod（R848）具有抗病毒和抗癌治疗用途，正在评估用于黑色素瘤治疗。已经开发了不同的结构相关的oxoadenine化合物，尽管需要其他临床前研究来证明它们的疗效。CL075是一种结构相关的杂环化合物，具有融合的喹啉-噻唑环。 3.3.7.TLR9激动剂 TLR9识别细菌DNA基序胞嘧啶-磷酸-鸟嘌呤（CpG）二核苷酸，通过MyD88途径激活免疫系统。CpG是已被修改以防止蛋白酶降解并用作佐剂的分子基序。CpG-CDNs能在自然杀伤细胞、B细胞和pCCS中引起强烈的趋化因子、细胞因子和抗体产生，并引发强烈的Th1型免疫反应。CpG1018是一种能够引发Th1型免疫反应的寡核苷酸。CpG1018是过去20年中批准的四种新型佐剂之一。即使它的使用最初在Hepliisav-B疫苗中受到限制，但目前正在评估用于对抗黑色素瘤和SARS-CoV-2的疫苗。MGN1703属于TLR9激动剂，是一种包含CG基序并呈现线性结构的小DNA分子。它由中间的双链DNA部分构成，两侧是单链结构。它作为疫苗的佐剂在癌症疫苗中进行了测试，在那里它激活了先天和适应性免疫反应，仅有轻微或暂时的副作用。它目前正在作为免疫调节剂单独或联合用于治疗恶性肿瘤，如黑色素瘤、小细胞肺癌和结直肠癌的I/II期研究中进行评估。 3.4.CLR配体 C型凝集素受体（CLRs）是病原体和受损组织来源脂质的免疫传感器，参与激活先天和获得性免疫。免疫反应可以通过CLRs细胞信号通路和其他PRRs（如TLR）的串扰来引发，导致不同信号通路的激活和特定细胞因子的表达。CLR触发的佐剂包括Curdlan、PGA-45、海藻糖二硬脂酸酯（TDB）和海藻糖二肉豆蔻酸酯（TDM），它们诱导强烈的Th17和Th1反应。 Curdlan在铜绿假单胞菌疫苗中使用，并诱导高水平的IL-17A和CD44+ CD62L-CD69+ CD4+ TRM细胞产生。Curdlan还能够激活树突细胞（DCs）并增强基于DC的抗肿瘤免疫，因此正在评估用于抗肿瘤免疫疗法。由于Curdlan的高度疏水性，开发了部分氧化的Curdlan衍生物β-1,3-聚葡萄糖醛酸，PGA-45聚合物，它能够刺激IKK-β的磷酸化并降低磷酸化Akt的表达，表明PGA-45可以激活多种细胞表面受体，包括TLR4和dectin-1。 海藻糖-6,60-二肉豆蔻酸酯（TDM）及其合成类似物海藻糖-6,60-二硬脂酸酯（TDB），能够通过与C型凝集素受体Mincle结合来激活巨噬细胞和树突细胞。TDB在结核病亚单位疫苗的临床研究中。TDB还可以独立于Mincle发挥作用，通过PLC-γ1/钙/CaMKKβ/AMPK途径诱导小胶质细胞极化为M2表型，使这种佐剂成为治疗神经炎症性疾病的治疗剂。 3.5.RLR配体 视黄酸诱导基因I（RIG-I）样受体（RLRs）是病毒感染的传感器，诱导产生I型和III型干扰素和炎症细胞因子，激活参与先天和获得性免疫反应的信号通路。RLRs可以检测病毒和宿主RNA，导致抗病毒反应，但如果RLR途径被无控制地激活，也会导致免疫病理。聚(I:C)激活RLRs途径，因为它模仿细胞中的病毒入侵，导致MAVS-IRF3/7级联的激活和IFN-β和ISGs的产生。IFN-β的表达取决于聚(I:C)的长度；短序列在髓样细胞中诱导IFN-β表达，而长序列在成纤维细胞中诱导IFN-β表达。这意味着使用特定激动剂刺激RLR途径将导致细胞特异性IFN-β表达的诱导，特别是在成纤维细胞中，与单核细胞和巨噬细胞相比，可以赋予更强的抗病毒状态。 4.辅助佐剂和佐剂配方  市场上的大多数疫苗只包含一种佐剂，然而，保护性免疫反应通常不足以实现疫苗的有效性。为了增强疫苗的效果，开发了许多佐剂配方。佐剂和抗原可以一起传递，使用两种流行的方法之一，共价偶联或将抗原和佐剂包装在传递机制中。适当的佐剂组合选择可以导致对疫苗免疫反应的补充或协同改善。例如，AS04中的明矾和MPL的联合使用在乙型肝炎病毒（HBV）和人类乳头瘤病毒（HPV）疫苗中显示出比仅使用明矾盐的相同疫苗更好的免疫反应。 4.1.脂质体 脂质体是球形颗粒，可以包裹抗原和免疫刺激性分子，保护它们免受降解并将其传递给APCs。脂质体由可生物降解、生物相容、无毒的磷脂组成，允许灵活的结构修改，以实现可调节的特性，如大小、表面电荷、膜柔韧性和药物装载模式。作为疫苗佐剂传递系统（VADS）的脂质体使用带来了许多优点，如高安全性和强烈的免疫反应。市场上的脂质体配方包括Epaxal和inflixal，分别用于对抗甲型肝炎和季节性流感病毒。另一种基于脂质体的疫苗是GSK（GlaxoSmithKline）开发的Shingrix，已获得FDA批准，用于带状疱疹病毒的老年人预防。 4.2.乳液 作为疫苗佐剂开发的乳液可以分为两种主要形式，完全弗氏佐剂（CFA）和不完全弗氏佐剂（IFA）。这两种佐剂都是油包水乳液，具有运输抗原和激活先天免疫系统的能力。CFA由矿物油、乳化剂和热杀死的结核分枝杆菌组成，促进免疫反应的刺激。然而，CFA可能会引起强烈、持久的局部炎症，并有在注射部位形成溃疡的潜力。IFA与CFA的成分相同，但不含有杀死的细菌M. tuberculosis。这种佐剂可以产生比没有它的相同疫苗更强大和持久的抗体反应。然而，IFA在疫苗配方中的使用受到其强烈副作用和毒性的限制，这是由高水平的非生物降解油和质量差引起的。 4.2.1.Montanide Montanide 是一个包括油包水和水包油乳液在内的大型家族，它已被用于兽医和人类疫苗中。MontanideTM 的生物可降解性质减少了与 IFA 类似物理结构的许多细胞毒性特征。在注射部位形成储存库，有助于抗原的逐渐释放，这是这种基于油的佐剂的作用机制的一部分。产生集中并防止恶化的抗原，并促进吞噬作用 。Montanide ISA 51 和 ISA 720 已在涉及癌症、艾滋病、疟疾或自身免疫疾病的疫苗的多项临床试验中使用。Montanide ISA 201 和 ISA 206 则被用于口蹄疫疫苗。 4.2.2.MF59 MF59 是一种水-油乳液佐剂，由角鲨烯组成，角鲨烯是一种生物可降解且与人体兼容的油，是人体的正常成分，在 pH 6.5 的 10 mM 柠檬酸钠缓冲液中通过表面活性剂 Tween 80 和 Span 85 稳定，平均粒径小于 200 纳米。它首次在 1997 年在欧洲被批准用于人类疫苗（Fluad），现在已在超过 30 个国家的超过 1 亿人中使用。其作用机制类似于明矾盐，具有在注射部位的储存活性，刺激局部先天免疫反应。肌肉中 MF59 的给药激活了强大的细胞和体液免疫反应，释放 ATP 并上调细胞因子和趋化因子，这反过来促进了白细胞的募集、抗原摄取和迁移到淋巴结以激活 B 细胞和 T 细胞，结果比明矾盐更有效。MF59 具有可接受的安全性和良好的耐受性，自 1997 年以来已施用了数百万剂。 4.3.AS0佐剂系统 AS0 佐剂系统基于经典佐剂分子的组合，如明矾、乳液和脂质体。它们由葛兰素史克公司开发，以实现最大的佐剂效果和可接受的耐受性，结合免疫刺激分子，如 TLR 配体等。这些经典佐剂和免疫刺激剂的各种组合旨在针对目标人群（包括儿童、老年人和免疫功能低下的个体）的病原体个性化适应性免疫反应。 4.3.1.AS04 AS04 由 3-O-去酰基-40'-单磷酸脂 A（MPL）组成，这是从革兰氏阴性细菌 Salmonella minnesota 分离出的脂多糖（LPS）的去毒形式，吸附在明矾盐上 。MPL 在保持较低毒性的同时，通过 TLR4 激活保留了 LPS 的免疫刺激性，当吸附在明矾上时。TLR4 在先天细胞上的信号传导介导了 AS04 的佐剂作用，与明矾的内在免疫调节特性相结合。我们可以在乙型肝炎病毒（HBV）Fendrix  和人乳头瘤病毒（HPV）Cervarix  疫苗中找到 AS04，与仅用明矾盐佐剂的相同疫苗相比，显示出更好的免疫反应。 4.3.2.AS03 AS03 是一种角鲨烯油包水乳液佐剂，与 MF59 类似，结合了表面活性剂聚山梨醇酯 80 和 α-生育酚（维生素 E），结果具有较低的反应原性并具有更好的安全性。2009 年，欧洲委员会批准了 AS03 佐剂疫苗 Pandemrix 的商业化，2013 年食品药品监督管理局授权了 AS03 佐剂流感 A（H5N1）单价疫苗 。它也用于 SARS-CoV-2 重组蛋白疫苗（CoV2 preS dTM）。α-生育酚的抗氧化和免疫刺激性特性与 MF59 相比，促进了免疫增强反应，调节了某些细胞因子和趋化因子的表达，如 CCL2、CCL3、IL-6 和 GM-CSF。此外，AS03 通过刺激 NF-κB 激活免疫系统，这导致肌肉和引流淋巴结中细胞因子和趋化因子的释放，并促进先天免疫细胞的迁移。此外，AS03 可以促进 CD4+ T 细胞特异性免疫反应，这可能导致持久的中和抗体产生和更高水平的记忆 B 细胞 。为了增加其免疫原性，使用两种强效免疫刺激剂，QS-21（来自 Quillaja saponaria 的皂苷）和 3-O-去酰基-40'-单磷酸脂 A（MPL），产生了 AS02。 4.3.3.AS01 AS01 佐剂是两种强效免疫刺激组分的组合，TLR4 配体也在 AS04 中使用（MPL）和分离纯化的皂苷部分（QS-21），在脂质体中配制。它用于带状疱疹疫苗 Shingrix 和疟疾疫苗 Masquirix 。临床前研究表明，QS-21 作为佐剂增强了抗体以及细胞介导的免疫反应 ，但作为疫苗中的单一组分佐剂，它的耐受性较差。在 AS01 中，脂质体中的胆固醇允许它结合 QS-21 并抑制其反应原性。MPL 通过 TLR4 激活先天免疫系统，而 QS-21 激活引流淋巴结中副皮质窦巨噬细胞（SSMs）中的 caspase 1。两种已建立的佐剂分子的结合引发了先天免疫的协同激活，结果大于独立组分的总和，激活了不是由任一组分单独触发的新途径，增加了表达 IL-2、IFNγ 和 TNF 的多能 CD4+ T 细胞。AS01 作为佐剂在带状疱疹疫苗中的使用已获批准，该疫苗用于老年人，具有高疗效，并在非洲有限的运动中实施的疟疾疫苗。 4.4.免疫刺激复合物 免疫刺激复合物是另一种具有强大佐剂活性的疫苗传递载体。它们是球形的，笼子状的自组装颗粒，大小约为 40 毫米。ISCOMs 由 Quillaja 皂苷、胆固醇、磷脂和抗原组成。没有抗原的颗粒被称为 ISCOM 基质。ISCOM 抗原可以是原生病毒的包膜蛋白、细胞膜蛋白或通过极性相互作用含有疏水域的肽 。ISCOMATRIX® 是使用与 ISCOMs 相同的材料开发出来的，但没有抗原，可以在疫苗配方中添加，使得使用更加多样化，并消除了疏水抗原的限制。树突状细胞（DCs）和 ISCOM 相互作用可以改善结合抗原的交叉呈递 。因此，有效地诱导了 CD4+ 和 CD8+ 抗原特异性 T 细胞反应。诱导细胞毒性 T 细胞、平衡的 Th1/Th2 反应和持久的抗体反应都是 ISCOM 疫苗的记录效果 。其他 ISCOM/ISCOMATRIX 疫苗已针对 HIV、HPV 和癌症利用抗原 NY-ESO-1 进行了临床试验。在所有情况下，研究都显示出良好的安全性和耐受性，以及诱导体液和细胞免疫反应。尽管具有这些特点，但由于一些皂苷在高浓度下具有毒性，因此对人类疫苗中使用 ISCOMs 的安全性问题已经阻止了其使用 。 4.5.类病毒颗粒 类病毒颗粒（VLPs）是与病毒大小相似的二十面体纳米颗粒（范围在20至800纳米之间），它们具有自我组装衣壳蛋白的能力。它们是非感染性颗粒，因为它们没有遗传物质。VLPs由具有重复表位的外部病毒壳组成，这些表位被免疫系统识别为非自身，并产生快速且持久的免疫反应，即使没有佐剂。它们可以通过使用不同的技术和细胞系统，如大肠杆菌、酵母（酿酒酵母和毕赤酵母）、杆状病毒、哺乳动物细胞、植物细胞或无细胞系统，由各种病毒类型生产。 历史上的VLPs制造方法包括一个称为“先组装后纯化”的多步骤方法。第一步包括衣壳蛋白在表达细胞载体内的自发组装。第二步则提供新形成颗粒的纯化。有时需要将VLPs拆解后再重新组装，以获得纯化的颗粒并提高质量。另一种VLPs的制造方法提供了使用无细胞体外组装，颠覆了传统的自我组装方法。特别是，体外系统被用作一个平台，在衣壳蛋白表达和纯化后诱导其自发组装，无需拆解新形成的VLPs。在市场上，两种重要的佐剂疫苗使用这种类型的纳米颗粒，即乙型肝炎（HBV）和人乳头瘤病毒（HPV）疫苗。当前的乙型肝炎疫苗是一种利用酿酒酵母作为表达载体的重组DNA疫苗，包括用于预防乙型肝炎感染的乙型肝炎表面抗原（HBsAg）。这种疫苗已被证明至少可以提供10年的免疫力。 在HPV疫苗中，非包膜HPV病毒颗粒包含双链DNA（dsDNA）。L1和L2蛋白组成衣壳的主要和次要结构蛋白，具有二十面体对称性。酿酒酵母是目前用于表达L1蛋白的载体。VLPs和佐剂（AlP）的结合导致强烈的免疫反应和90%的宫颈癌保护。 4.6.病毒体 病毒体是一种药物传递系统，由病毒包膜和病毒或其他病原体的成分组成。它们由重组流感病毒包膜形成，包含血凝素（HA）、神经酰胺酶（NA）和磷脂，并且像VLPs一样缺乏病毒遗传物质。第一个基于病毒体的疫苗是在1975年开发的，这允许研究这种类型疫苗的有效性。自那以后，有两种疫苗已经上市，用于预防甲型肝炎（Epaxal）和流感（Inflexal）。 病毒体结构中HA的存在允许保持受体结合能力，增加免疫原性和膜融合活性，但由于缺乏病毒RNA，病毒体在结合后不能在细胞中诱导感染。病毒体可以将抗原输送到抗原呈递细胞（APCs）的细胞质中，并诱导细胞毒性T淋巴细胞反应，使它们成为完美的传递系统。然而，由于佐剂质量较差，病毒体在激活APCs和鼓励交叉呈递方面效果不佳。使用更强的佐剂可以克服这种固有限制。最近开发了一种基于病毒体的创新流感疫苗，结合了TLR4配体单磷酸脂A（MPLA）和金属离子螯合脂质DOGS-NTA。病毒体可以诱导强烈的体液和细胞免疫，与自然感染和其他强效佐剂相当。由于其极高的耐受性和安全性，这种传递系统已获得FDA批准用于人类。除了针对流感和甲型肝炎的两种基于病毒体的疫苗外，还有几种疫苗正在进行临床试验，包括针对HIV、HPV、RSV和疟疾的疫苗。 5.佐剂设计和开发的新见解 如前所述，在过去20年中，发现了新的免疫激活佐剂类别，能够增强免疫功能低下和老年人等脆弱人群的免疫反应。有几种佐剂类别可用，每种都有其自身的优势和劣势。油包水乳液等传递系统是有效且安全的系统，尽管有可能产生局部或系统性不良效应。最近的研究表明，PRR信号在几个人群中可以改变，降低了疫苗配方的保护效果。例如，防止胎儿排斥的免疫机制以及老年人中TLR途径的失调或遗传多态性的存在。出于所有这些原因，选择适当的佐剂配方对于提高效果而不降低风险-效益比至关重要。从化学角度来看，蛋白质数据银行存储库上有几种与特定配体共晶的蛋白质晶体结构，有助于通过计算机辅助药物设计寻找新化合物。报道的STING和TLR小分子激动剂的大多数结构是杂环化合物，模仿核苷酸。即使在这种情况下，也已经开发了许多具有不同应用的结构相关化合物，包括在癌症疾病中广泛应用的激酶抑制剂和作用机制不太明确的配体或人类辅因子的配体。另一个需要考虑的方面是存在用于合成肽的高通量全自动仪器。最近已经做出了努力来合成复杂的高分子量肽和糖蛋白。此外，已经开发了使用天然成分的新型复杂纳米配方，如来自昆虫的功能化聚合物。所有这些方面都非常有前景，并为佐剂发现的发展开辟了新的场景。 6.结论 佐剂是疫苗配方的关键组成部分的大家族。它们的使用在历史上最重要的疫苗接种活动中至关重要，包括脊髓灰质炎、猪流感和最近的COVID-19大流行。即使已经取得了良好的结果，但还需要更多的努力来增加疫苗对耐药病毒的保护，并减少额外加强针的需要。重组技术、DNA筛选和生物信息学研究已经阐明了新的机制和免疫信号通路的关键参与者。还需要更多的努力来识别更有效的佐剂，以对抗未来的大流行并增加对抗癌症的成功率。 识别微信二维码，添加生物制品圈小编，符合条件者即可加入 生物制品微信群！ 请注明：姓名+研究方向！ 版 权 声 明 本公众号所有转载文章系出于传递更多信息之目的，且明确注明来源和作者，不希望被转载的媒体或个人可与我们联系(cbplib@163.com)，我们将立即进行删除处理。所有文章仅代表作者观点，不代表本站立场。

摘要:佐剂性和递送性是mRNA疫苗设计的两个关键方面。在现代mRNA疫苗中，佐剂功能被整合到mRNA疫苗纳米颗粒中，允许抗原mRNA和佐剂以统一的、一体化的形式共递送。在这种配方中，许多mRNA疫苗利用mRNA的免疫刺激性特性以及疫苗载体组分（包括脂质和聚合物）作为佐剂。然而，需要谨慎设计，因为过度的佐剂性和不当的先天免疫信号激活反而会阻碍疫苗效果并引发不良反应。mRNA疫苗还需要递送系统来实现在淋巴器官内的抗原呈递细胞（APCs）中的抗原表达。一些疫苗直接针对淋巴器官中的APCs，而另一些则依赖于APCs在摄取mRNA疫苗后迁移到引流淋巴结。本综述探讨了这些过程的当前机制理解以及基于这种理解正在进行的提高疫苗安全性和有效性的尝试。 1.引言 mRNA为疫苗提供了一个强大的工具。在传染病的情况下，一旦建立了mRNA递送平台，只需改变mRNA序列，疫苗就可以针对各种病原体。这一特性使得两种mRNA疫苗BNT162b2和mRNA-1273在由严重急性呼吸综合征冠状病毒2（SARS-CoV-2）引起的2019冠状病毒病（COVID-19）爆发后的一年内迅速获得紧急批准。这些疫苗在各种疫苗形式中展示了高效果，对控制大流行起到了关键作用。mRNA疫苗有效诱导中和抗体，有助于其在预防SARS-CoV-2感染方面的高效性。此外，mRNA疫苗还激发细胞免疫反应，这些反应比体液免疫反应更持久，更能抵抗病毒突变。细胞免疫可能在预防COVID-19的严重疾病和死亡中发挥关键作用。mRNA疫苗的广泛免疫原性，包括细胞毒性T淋巴细胞（CTL）的诱导，也使其成为癌症疫苗的一个有吸引力的候选者。mRNA癌症疫苗通过针对共享的肿瘤相关抗原和来自每个患者基因突变的新抗原，在临床试验中显示出有希望的结果。新抗原疫苗的准备需要在识别癌症基因突变并预测合适的表位后迅速适应。在这方面，mRNA疫苗允许通过改变mRNA序列，简单地对应于每个患者中的突变蛋白，快速且方便地准备。从安全角度来看，mRNA在注射后一周内迅速降解，在体内持续存在的风险最小。最近的一项研究在人体样本中解决了这个问题，显示mRNA在接种后一个月内通过定量PCR（qPCR）检测不到。每年数十亿剂的可扩展性是另一个关键属性，特别是在大流行中。 早在1990年代中期就有关于针对传染病和癌症的mRNA疫苗的记录。然而，它们需要多年的研究和技术突破才能达到目前的临床成功，特别是在mRNA合成和递送系统领域。在前者中，mRNA的假尿苷修饰减轻了对mRNA的先天免疫反应，并提高了蛋白质翻译效率。其他关键技术包括添加5'帽和聚A尾，编码和非翻译区域的序列优化，以及去除体外转录mRNA的杂质。这些mRNA合成技术通过避免不良的炎症反应来提高mRNA疫苗的安全性，并通过增加抗原产生效率来增强疫苗效果。mRNA疫苗还需要递送系统来保护mRNA免受酶降解，将mRNA递送到APCs和淋巴组织，并促进mRNA在细胞内的运输到细胞质中的翻译位点。此外，最近的研究表明递送纳米颗粒作为免疫刺激性佐剂的作用。值得注意的是，在2010年代中期之前，大多数mRNA疫苗临床试验采用了体外mRNA递送后的APC移植。然而，体外策略需要在移植前进行临床级别的细胞培养的繁琐程序，限制了mRNA在癌症免疫疗法中的应用。最近的技术进步使得有效的体内mRNA递送成为可能，扩大了mRNA在传染病疫苗中的应用，并避免了癌症疫苗中繁琐的体外程序。在上述描述的mRNA疫苗的各种设计属性中，本综述关注两个问题：疫苗佐剂性和针对APCs和淋巴器官的递送系统，这在疫苗开发中尤为重要。同时，我们将读者重定向到其他综述中，以获得mRNA递送系统的一般描述，特定于COVID-19疫苗的主题，以及mRNA疫苗的临床概况。 2.佐剂性 2.1.佐剂性概述 免疫刺激性佐剂通过引发先天免疫反应，将抗原表达与适应性免疫诱导联系起来，从而提高疫苗效果的效率和持久性。在由重组蛋白或编码蛋白的核酸衍生的现代疫苗中，佐剂的作用变得越来越重要。值得注意的是，这些疫苗缺乏传统活减毒和灭活疫苗中存在的许多病原体相关分子模式（PAMPs），这些模式充当佐剂。在两种批准的mRNA COVID-19疫苗中，佐剂功能被整合到离子化脂质基脂质纳米颗粒（iLNPs）配方中，作为内置佐剂，而不是作为额外的佐剂补充。事实上，小鼠和人类对mRNA iLNPs的强烈先天免疫反应在疫苗功能中发挥着关键作用。iLNPs的脂质组分和mRNA分子都有助于mRNA疫苗中的佐剂性。内置佐剂方法允许mRNA疫苗的简单一体化配方，有助于平稳的临床转化。此外，一体化配方使得抗原mRNA和佐剂能够共递送到相同的APCs中，有效激活表达从递送的mRNA中得到的抗原蛋白的APCs。在这方面，重组蛋白疫苗的广泛研究表明共递送抗原和佐剂的好处。在一项开创性研究中，共包埋CpG DNA和卵清蛋白（OVA）的聚（D,L-乳酸-羟基乙酸共聚物）（PLGA）微球在诱导小鼠抗原特异性细胞毒性T淋巴细胞（CTL）活性方面优于分别包埋这两种组分的微球混合物。尽管佐剂在疫苗接种中起着关键作用，但佐剂性应该精确控制，以在最佳强度下激活适当的信号通路，因为过度和意外的佐剂性会带来安全问题，并对疫苗效果产生负面影响。本节提供了关于mRNA疫苗中佐剂性的机制理解和开发的观点。 2.2.当前mRNA疫苗的先天免疫反应 mRNA通过几种先天免疫受体触发先天免疫反应，包括内体内的Toll样受体（TLRs）和细胞质中的视黄酸诱导基因I（RIG-I）和黑素瘤分化相关蛋白5（MDA5）（图1(a)）。每个受体的首选配体分别是TLR3的>45碱基对（bp）双链RNA（dsRNA），TLR7,8的>20核苷酸（nt）单链RNA（ssRNA），MDA-5的几千bp dsRNA，以及RIG-I的>20 nt dsRNA，其在5'端有一个三磷酸基团。这些受体的主要适配分子分别是TLR3的Toll/白介素-1（IL-1）受体结构域包含的适配分子诱导干扰素-β（IFN-β）（TRIF），TLR7,8的髓样分化初级反应88（MyD88），以及MDA-5和RIG-I的线粒体抗病毒信号蛋白（MAVS）。这些分子最终触发I型IFN和其他促炎细胞因子的产生。此外，mRNA的5'帽结构对于区分自身和非自身mRNA至关重要。5'帽结构基于第一和第二核糖体的2'O-甲基化状态进行分类。在Cap0中，第一和第二核糖体中都没有2'O-甲基化，在Cap1中，只有第一核糖体有2'O-甲基化，而在Cap2中，第一和第二核糖体都有2'O-甲基化。在高等真核生物中，mRNA具有Cap1或Cap2结构，留下Cap0 mRNA主要被RIG-I识别为非自身。最近的一项研究表明，与Cap1结构相比，Cap2结构进一步降低了mRNA对RIG-I的亲和力。 图1. mRNA疫苗诱导的先天免疫。(a) 外源性RNA的受体及其信号通路。ppp-dsRNA：在5'端具有三磷酸基团的双链RNA。(b) 对iLNPs脂质成分的先天免疫反应的潜在机制。 体外转录mRNA中的杂质，包括未加帽和长dsRNA，引发强烈的先天免疫反应。体外转录制备的未加帽RNA在5'末端有一个三磷酸基团，刺激RIG-I。尽管包括CleanCap在内的最新技术已经提高了加帽效率，但在CleanCap mRNA制备过程中产生的少量未加帽RNA仍然显著激活先天免疫反应。事实上，CleanCap mRNA溶液的南极磷酸酶处理，去除未加帽mRNA杂质的5'三磷酸基团，显著降低了培养巨噬细胞中的细胞因子反应。这一结果突出了CleanCap mRNA中未加帽mRNA污染物的显著免疫刺激。长dsRNA是先天免疫的强烈诱导剂，是从体外转录过程中的RNA模板转录RNA制备的。在这个过程中，从DNA模板制备的预期mRNA链作为模板合成互补的非预期RNA链，导致长dsRNA的形成。如后文讨论的，这些杂质对先天免疫反应可能会极大地影响mRNA疫苗接种的结果，需要仔细讨论在免疫刺激杂质的背景下的疫苗接种效果。 尽管mRNA疫苗需要先天免疫反应作为佐剂，但过度的反应会带来安全问题，并负面影响疫苗效果，如后文所述。此外，对体外转录mRNA的细胞反应通过诱导全局mRNA降解和损害翻译启动，对mRNA的蛋白表达效率产生负面影响（图1(a)）。2'-5'-联腺苷酸合成酶（OAS）的mRNA识别和随后的RNase L激活导致大量细胞内ssRNA降解。此外，外源RNA通过激活RNA依赖性蛋白激酶（PKR）和磷酸化翻译启动因子2-α（eIF-2α）损害蛋白翻译的启动过程。因此，mRNA疫苗的开发需要控制细胞对体外转录mRNA的感知。为此，许多mRNA疫苗使用假尿苷（Ψ）或N1-甲基-假尿苷（1 mΨ）的核苷修饰，这减轻了对mRNA的先天免疫反应。此外，使用高效液相色谱（HPLC）消除长dsRNA，并通过南极磷酸酶去除未加帽mRNA的5'三磷酸也减少了mRNA杂质的免疫刺激。mRNA纯化的更近期技术包括具有光敏疏水标签的帽类似物，用于从未加帽mRNA中纯化加帽mRNA，以及为最小化dsRNA产生的工程化RNA聚合酶。这些方法可以通过增加抗原蛋白翻译和减轻促炎反应来提高mRNA疫苗的安全性和有效性。 在当前mRNA疫苗广泛使用的iLNP配方中，其脂质组分是先天免疫反应的主要诱导剂。事实上，不含mRNA封装的空iLNPs在小鼠局部注射后诱导了强烈的促炎反应。值得注意的是，在去除离子化脂质组分后，促炎反应几乎消失，表明离子化脂质在免疫刺激中的关键作用。离子化脂质在细胞外pH下呈中性电荷，在内/溶酶体pH下变为阳离子。因此，离子化脂质被认为比无pH响应的传统阳离子脂质的炎症性小，因为使用离子化脂质而不是阳离子脂质可能减少LNP与细胞膜的相互作用及其随后的膜损伤。相反，将iLNP中的离子化脂质替换为阳离子脂质减少了对纳米颗粒的先天免疫反应。几份报告提供了iLNP先天免疫激活的机制见解（图1(b)）。如后文所述，几种离子化脂质特别激活先天免疫受体，包括TLRs和细胞内干扰素基因刺激剂（STING）。此外，mRNA iLNPs和其他纳米颗粒的研究表明，溶酶体破裂，mRNA递送的一个重要细胞内过程，通过炎症体激活引发先天免疫反应。在注射部位受损细胞释放的损伤相关分子模式（DAMPs），包括DNA、RNA和蛋白质，也可能在iLNP递送后刺激先天免疫受体。事实上，最近的一项动物研究表明，在肌肉注射（i.m.）批准的COVID-19 mRNA疫苗BNT162b2后，包括双链DNA、高迁移率族蛋白盒（HMGB）1和尿酸在内的DAMPs血清水平急剧增加。在人类中，批准的COVID-19 mRNA疫苗诱导了强烈的局部反应，可能造成DAMPs的释放。 2.3.桥接佐剂性到疫苗效果 本节讨论先天免疫反应如何影响疫苗效果，重点关注iLNPs。最近的一项全面研究通过为各种受体准备基因敲除小鼠，调查了各种先天免疫受体在接种批准的COVID-19 mRNA疫苗BNT162b2后诱导体液和细胞免疫的参与情况。目标受体包括RNA感知途径中的TLR3、TLR7、RIG-I和MDA-5，炎症体中的NLR家族PYD结构域含有蛋白（NLRP）3和凋亡相关斑点蛋白含有C末端胱天蛋白酶募集结构域（ASC），以及TLR2、TLR4、TLR5、环状GMP-AMP合成酶（cGAS）和STING，其中一些是离子化脂质介导的免疫刺激的潜在靶分子。在这些基因中，只有MDA-5基因敲除显著降低了疫苗接种后刺突抗原特异性CD8+T细胞的频率。更准确地说，MDA-5基因敲除减少了IFN-α的分泌，这是MDA-5信号传导的下游分子，并阻止了树突细胞的激活。此外，IFN-α/β受体（IFNAR）1基因敲除也损害了刺突特异性CD8+T细胞的诱导。这些结果揭示了MDA-5和IFN-α在诱导CD8+T细胞反应中的关键作用。MDA-5可能识别mRNA疫苗配方中的dsRNA或作为DAMPs释放的受损细胞中的dsRNA。 然而，体液免疫诱导的途径更为复杂。上述任何先天免疫受体的基因敲除都没有降低刺突特异性抗体的效率。此外，只有在IFNAR1基因敲除后检测到刺突特异性抗体的最小减少。这一结果与人类研究的结果一致。该人类研究评估了COVID-19 mRNA疫苗在由于TLR7、IFNAR1或干扰素调节转录因子（IRF）7的固有缺陷或对I型IFNs的自身抗体而患有先天性和获得性I型干扰素信号传导缺陷的患者中的有效性。mRNA疫苗在这些患者中有效地诱导了中和抗体和记忆B细胞，水平与健康对照组相当。同时，几项动物研究提供了对体液免疫诱导至关重要的途径的见解。MyD88基因敲除，该基因编码许多TLRs的适配蛋白，显著抑制了使用mRNA iLNP疫苗接种后抗原特异性滤泡辅助T（Tfh）和生发中心（GC）B细胞的诱导。此外，编码Tfh细胞分化中关键细胞因子的白介素（IL）-6基因敲除也消除了疫苗效果。相比之下，RIG-I和MDA-5的适配蛋白MAVS基因敲除后，疫苗效果得以维持。另一项关于自扩增RNA（saRNA）的研究也证明了IL-6在小鼠疫苗接种中的作用，表明IL-6基因敲除损害了抗体反应和Tfh细胞及GC B细胞的诱导。与此同时，IL-6基因敲除后，saRNA疫苗对致命性流感病毒挑战的保护效果得以保留。这些研究表明，在诱导体液免疫反应的先天免疫信号传导途径中存在冗余，而TLRs和IL-6发挥主要作用。 在人类疫苗接种中，第二剂COVID-19 mRNA疫苗大幅增强了体液和细胞免疫，并同时引起了比第一剂更严重的全身反应原性。这一观察结果意味着，第二剂后负责反应原性的促炎分子可能也有助于增强适应性免疫。先前的一项研究评估了人类BNT162b2疫苗接种者血浆中67种细胞因子的概况。其中，IFN-γ显示出一个独特的概况，特别是在第二剂后急剧增加。小鼠模型也在第二次接种BNT162b2后复制了IFN-γ水平的急剧增加，伴随着巨噬细胞、单核细胞和树突细胞的激活。进一步分析揭示了CD4+和CD8+ T细胞在第二次接种后产生IFN-γ的显著贡献。有趣的是，IFN-γ受体中和抗体的给药减弱了巨噬细胞、单核细胞和树突细胞的激活，证明了IFN-γ在第二剂后的佐剂功能。然而，IFN-γ受体中和抗体对抗原特异性抗体产生和CD4+及CD8+ T细胞诱导的效率影响很小。因此，需要进一步的研究来解读COVID-19 mRNA疫苗的佐剂性机制。 2.4.脂质和mRNA的佐剂性 iLNP佐剂性的另一个关键问题是，脂质和mRNA组分中哪一个主要促进免疫刺激，以及每个组分激活的信号通路是什么。一项全面的机制研究通过比较空iLNP与封装修饰mRNA的iLNP来解决这个问题。有趣的是，两种配方在小鼠皮内（i.d.）注射后4和24小时引流淋巴结中产生的细胞因子和趋化因子水平相似，表明脂质组分在对iLNP的先天免疫反应中占主导地位。因此，两种iLNP都作为佐剂，并提高了重组蛋白疫苗的效率，使其比AddaVax（模仿临床上批准的MF59佐剂的角鲨烯佐剂）更有效地产生抗原特异性抗体。有趣的是，空iLNP的佐剂效应在MyD88和MAVS基因敲除后大多得以维持，但在IL-6基因敲除后减少。因此，空iLNP可能通过IL-6分泌发挥其佐剂性。然而，同一研究的详细分析揭示了mRNA对mRNA iLNPs的先天免疫反应的贡献，即使mRNA在化学上被修饰以最小化免疫刺激。当比较空iLNP和装载mRNA的iLNP对其作为佐剂以提高重组蛋白疫苗的效率时，MyD88基因敲除减少了装载mRNA的iLNP的体液免疫诱导，而不是空iLNP。这一结果表明，mRNA而不是脂质组分激活了MyD88。在另一项研究中，非人类灵长类动物（NHPs）肌肉注射和皮内注射后，只有装载修饰mRNA的iLNP，而不是空iLNP，在引流淋巴结中的树突细胞中诱导了I型IFN表达和树突细胞的成熟，揭示了mRNA在iLNP佐剂性中的关键作用。 随着未修饰mRNA的使用和较少免疫刺激性的mRNA递送载体，mRNA的佐剂性变得更加明显。在这方面，用于癌症疫苗临床试验的阴离子脂质体比iLNPs的免疫刺激性小。有趣的是，当装载未修饰的mRNA时，阴离子脂质体提供了强大的CTL活性，但相反，当装载1 mΨ mRNA时，诱导了抗原特异性免疫耐受。这些研究强调了未修饰mRNA的佐剂性，将免疫耐受疫苗转化为抗癌疫苗。在装载未修饰mRNA的阴离子脂质体中，TLR7和IFNAR1基因敲除，而不是TLR3、4和9，减少了疫苗接种后树突细胞、NK细胞、T细胞和B细胞的激活。这一结果表明，mRNA通过TLR7识别和随后激活I型IFN在未修饰mRNA的佐剂性中的贡献。 2.5.设计递送系统以改善佐剂性 迄今为止回顾的机制理解意味着改善mRNA疫苗的佐剂性的好处，促进了这一领域的积极研究（表1）。事实上，在某些情况下，佐剂性，而不是抗原表达效率，可能决定疫苗接种的效果，其中提供增强免疫刺激和较低抗原表达的疫苗比提供效率较低的免疫刺激和增强抗原表达的疫苗表现更好。在设计mRNA疫苗佐剂时，首选包含抗原mRNA和佐剂的一体化疫苗配方，允许抗原和佐剂的共递送。如上所述，重组蛋白疫苗的研究已经显示了共递送抗原和佐剂对强大疫苗接种的好处。此外，这种简单的疫苗配方在临床转化中是有利的。 一种策略是将佐剂和mRNA共封装到相同的纳米颗粒中。基于脂质的系统有两个选择：将水溶性佐剂封装在水相中，或将疏水性佐剂封装在脂质相中（图2(a)）。前者的方法是iLNP封装锰，这是STING途径的激活剂，在针对SARS-CoV-2的疫苗接种中显示出有希望的结果。在后一种方法中，R848，一个小分子TLR7/8激动剂，被结合到棕榈酸中以并入阳离子mRNA脂质复合物。该脂质复合物显示出强大的CTL诱导和抗癌效果。另一个例子是Pam2Cys，一个由半胱氨酸、硫甘油和两个棕榈酸链组成的TLR2/6佐剂，被并入iLNP，从而增强了细胞和体液免疫反应。其他系统使用了α-半乳糖神经酰胺，它在APCs上呈现后激活不变自然杀伤T（NKT）细胞，证明了它们在针对癌症和疟疾的疫苗中的效用。针对疟疾的疫苗靶向感染的肝细胞。 除了使用额外的佐剂外，将佐剂性纳入可离子化或阳离子脂质是脂质基疫苗的一个选项（图2(a)）。无需额外的佐剂，这种方法通过最小化成分来简化疫苗配方，可能有利于临床转化。佐剂脂质具有激活先天免疫反应和促进mRNA递送的双重功能。例如，具有环胺头基的可离子化脂质比具有线性胺头基的脂质更有效地诱导先天免疫反应和针对癌症的抗原特异性CTL活性。有趣的是，STING基因敲除消除了由环胺iLNP诱导的先天和适应性免疫反应，表明可离子化脂质中的环胺激活了STING。最近的一项研究在环胺和烷基链之间引入了可生物降解的酯类连接物，以促进佐剂环胺的清除，提高安全性。另一项研究开发了一种类似阳离子脂质的材料，激活TLR4。由此产生的基于脂质的疫苗在野生型小鼠中提高了细胞免疫，但在TLR4基因敲除小鼠中没有提高，证明了TLR4信号在疫苗中的参与。将现有的佐剂或其组分结合到可离子化脂质上是更直接的方法。最近的一项研究设计了一种与TLR7/8佐剂结合的佐剂可离子化脂质体，提高了细胞和体液免疫的诱导效率。另一项研究将维生素E（临床上批准的AS03佐剂的组分）引入可离子化脂质的疏水尾部。含有维生素E的可离子化脂质展现出增强的佐剂性，比含有肉豆蔻酸或油酸尾部的对照可离子化脂质更有效地诱导CTL反应。 在脂质基配方中使用无机系统是另一个具有递送和佐剂功能的双功能系统的例子。先前的一项研究设计了由mRNA负载的钙磷酸核心和脂质层涂层组成的纳米颗粒（图2(b)）。钙磷酸核心在细胞外环境中稳定纳米颗粒，但在细胞内释放Ca2+。由此产生的细胞内Ca2+浓度增加触发树突细胞成熟的信号。此外，钙磷酸核心可以与抗原mRNA共同封装PD-L1 siRNA，用于免疫检查点阻断，进一步增强癌症疫苗的效果。 聚合物基系统，作为一大类mRNA递送系统，与脂质基系统相比，在mRNA疫苗配方中的关注度较小。先前的一项研究比较了聚聚体和iLNP中saRNA的疫苗效果。有趣的是，装载saRNA的iLNP在肌肉注射后远远优于装载saRNA的聚聚体，在细胞和体液免疫诱导方面，尽管聚聚体比iLNP提供了更有效的抗原表达。一致地，iLNP在诱导IL-6（mRNA疫苗佐剂性的关键分子）的表达方面比聚聚体更强。因此，作者将其低疫苗效率归因于其低佐剂性，尽管其他因素，包括递送到淋巴组织的效率，也可能影响疫苗效果。 与此同时，一些聚聚体系统在疫苗接种中提供了有希望的结果（图2(c)）。在几项临床试验中使用的精蛋白/mRNA聚聚体利用未修饰mRNA的佐剂性刺激TLR7（图2(d)）。在这个系统中，与精蛋白的mRNA复合增加了先天免疫反应，但与裸mRNA相比，在小鼠皮内注射后降低了抗原表达效率。因此，控制mRNA和精蛋白的混合比例，以在注射溶液中包含游离mRNA和精蛋白/mRNA聚聚体，以同时获得抗原表达和佐剂性。在一项机制研究中，TLR7基因敲除几乎完全抑制了聚聚体给药后的IL-12分泌。此外，聚聚体通过TLR7基因敲除减少了其CTL诱导潜力，而不是TLR9基因敲除，突出了TLR7佐剂性在这种疫苗配方中的作用。在另一个例子中，硅纳米颗粒被聚(乙二醇)（PEI）涂层，随后PEI交联，mRNA装载和甘露糖涂层。然后，移除硅核心，提供中空核心糖胶囊（图2(e)）。甘露糖的功能是靶向树突细胞并激活树突细胞作为佐剂。结果，这个系统为癌症疫苗提供了强大的CD4+和CD8+免疫。最近的研究还展示了mRNA疫苗中佐剂性多阳离子的潜力（图2(c)）。例如，用于mRNA复合的200-kDa阳离子壳聚糖也作为佐剂，通过激活STING和炎症体，增强抗原特异性细胞和体液免疫。在另一项研究中，具有C18侧链的多阳离子由于其佐剂性激活树突细胞和有效的淋巴结迁移，展现了有效的癌症疫苗效果。一项关于亚单位疫苗的研究也揭示了多阳离子佐剂性。在这项研究中，PEI通过释放宿主细胞的DNA作为DAMPs，激活IFN调节因子-3信号，发挥其佐剂性。这些研究表明了聚合物基系统在疫苗接种中的潜力，这尚未被充分探索。如前所述，iLNP也产生DAMPs，这可能作为佐剂。同时，过量的DAMPs可能引发自身免疫性疾病。例如，通过自身DNA过度激活cGAS-STING途径可能会引起艾卡迪-古特雷斯综合症和共济失调毛细血管扩张症。疫苗开发需要考虑这些风险。 图2. 提高mRNA疫苗佐剂效应的策略。(a) iLNPs或其他脂质系统。(b) 含有磷酸钙核心的脂质载体。(c) 聚复合物。(d) 普罗胺/mRNA聚复合物。(e) 用甘露糖涂层的空心糖胶囊。(f) 设计用于提高佐剂效应的mRNA。用于增强佐剂效应的策略和组分用粗体标出。 2.6.设计mRNA以提高佐剂性 调节mRNA佐剂性提供了另一种改善疫苗效果的选项。这种mRNA佐剂方法包括添加编码免疫刺激性蛋白的mRNA，并利用RNA分子的内在免疫刺激性特性（图2(f)）。这些策略允许使用单一纳米颗粒配方共递送抗原mRNA和佐剂RNA。此外，佐剂RNA在注射后几天内经历酶促降解，避免长时间的免疫刺激。关于编码免疫刺激性蛋白的mRNA，一项开创性的研究将抗原mRNA与三种类型的免疫刺激性mRNA混合，编码CD40配体、TLR4的组成性活性形式和CD70。这种设计显著提高了与单独注射裸mRNA相比的抗原特异性CD4+和CD8+ T细胞诱导和抗癌效果，在淋巴结内注射后。最近的研究证明了免疫刺激性mRNA在iLNP配方中的好处。例如，先前的一项研究通过筛选编码参与先天免疫信号传导的各种蛋白的mRNA物种，确定组成性活性STING mRNA是最有效的mRNA，能在小鼠中诱导CTL活性。另一项研究使用了编码C3d的mRNA，C3d是哺乳动物补体成分，能激活滤泡树突细胞和B细胞。C3d mRNA封装到iLNP中提高了抗原特异性细胞和体液免疫。 RNA分子，特别是dsRNA的内在免疫刺激性特性可以作为佐剂使用。在这方面，dsRNA的免疫刺激性特性可能对saRNA疫苗的疫苗效果产生积极或消极的影响。saRNA具有单链RNA病毒的复制机制，可以在宿主细胞内自我放大，提供抗原蛋白的持续表达。此外，细胞内增殖过程中的dsRNA中间体也可能增强细胞dsRNA受体的激活，以诱导先天免疫反应。这些特性使得使用低剂量的saRNA在动物和人类中进行有效的疫苗接种。然而，dsRNA中间体的持久性可能导致长时间的免疫刺激和PKR激活，可能在某些情况下对疫苗效果产生负面影响。事实上，IFNAR1或MAVS基因敲除提高了saRNA疫苗接种后体液或细胞免疫诱导的效率。此外，saRNA通过共表达MERS-CoV-2 ORF4a提高了其疫苗效率，该蛋白通过结合dsRNA抑制MDA-5和RIG-I的激活[86]，或天花病毒免疫逃逸蛋白阻断PKR和IFN-β的活性。 相反，使用dsRNA对先天免疫反应进行短暂刺激有助于改善mRNA疫苗以提高CTL活性。在这个策略中，dsRNA结构是通过将互补RNA与mRNA杂交到非复制mRNA中准备的（图3）。以前的研究评估了互补RNA与mRNA杂交在蛋白翻译效率和先天免疫反应方面的影响。当互补RNA靶向蛋白编码区域时，在与17 nt互补RNA杂交后翻译效率保持稳定（图3(a)），但在与23 nt或更长的RNA杂交后下降（图3(b)）。与mRNA杂交的短RNA在细胞内环境中特别被从mRNA上脱落，可能是通过翻译过程中蛋白质翻译机制的内源性解旋酶活性。这个过程可能允许从与17 nt互补RNA链杂交的mRNA中有效表达蛋白。关于佐剂性，23 nt或更长的互补RNA杂交，而不是17 nt互补RNA，增加了mRNA的免疫刺激性特性。同时，当靶向mRNA的非编码区域时，RNA杂交的影响是不同的。在先前的研究中，通过体外转录准备的120 nt poly U RNA与mRNA的120 nt poly A杂交。有趣的是，poly U杂交极大地增强了mRNA诱导先天免疫反应的能力，对翻译效率的影响最小（图3(c)），提供了具有佐剂性的mRNA的优秀配方。机制分析揭示了RIG-I在先天免疫激活中的主要作用。事实上，120 nt poly U RNA在体外转录时没有5'帽类似物，在5'端有一个三磷酸基团，是RIG-I的配体。在小鼠疫苗接种中，这种配方在淋巴结内裸mRNA的形式下增强了模型抗原mRNA的疫苗效果。然而，这个系统中的免疫刺激强度是不可控的。因此，后来的研究重新设计了这个系统，以实现对免疫刺激强度的微调。为此，通过17 nt互补RNA与mRNA杂交，准备了梳状结构的mRNA，精确设计了dsRNA牙齿以诱导RIG-I刺激。更重要的是，通过改变免疫刺激性牙齿的数量，这个策略使佐剂性的微调成为可能，以最大限度地提高疫苗效率，同时最小化不良反应。最终，这个系统提高了三种不同mRNA配方的CTL活性：阴离子脂质体、iLNP和聚乙二醇化聚聚体。 图3. mRNA与dsRNA佐剂杂交。展示了RNA杂交后的翻译效率和免疫刺激性。(a-c) 互补RNA与mRNA的编码区(a, b)和聚A区(c)杂交。(d) 梳状结构的mRNA与设计用于靶向mRNA编码区RIG-I的dsRNA杂交。 2.7.杰基尔和海德的佐剂特性 上述描述集中在mRNA疫苗中先天免疫反应的积极方面。然而，许多研究揭示了佐剂特性更为复杂的方面。例如，mRNA修饰在疫苗接种中提供了复杂的结果。像Ψ和1 mΨ这样的mRNA修饰减轻了对mRNA的先天免疫反应，即佐剂效应。未修饰的mRNA的佐剂效应对CTL诱导和抗体产生产生相反的效果。几项iLNP研究表明，未修饰的mRNA在诱导抗原特异性CD8+ T细胞反应方面优于修饰的mRNA。根据最近的一项研究，不含核苷修饰的抗原mRNA包裹在iLNP中，比包裹1 mΨ修饰的抗原mRNA更有效地诱导抗原特异性CD8+ T细胞，包括那些对颗粒酶B呈阳性的细胞，并更有效地激活肿瘤浸润性树突状细胞。结果，未修饰的mRNA在小鼠模型的癌症疫苗中优于修饰的mRNA，显示出有效的肿瘤体积抑制和延长小鼠存活时间（图4（a））。引人注目的是，在一项使用编码荧光蛋白的mRNA的报告试验中，未修饰的mRNA在淋巴结和脾脏的树突状细胞和巨噬细胞中提供的报告蛋白表达效率远低于1 mΨ修饰的mRNA（图4（b））。这些结果证明了未修饰的mRNA在诱导CTL反应方面的潜力，即使以牺牲抗原表达效率为代价。在机制分析中，未修饰的mRNA比修饰的mRNA更有效地激活脾脏树突状细胞，并且使用抗IFNAR1抗体的给药减少了未修饰的mRNA在疫苗接种中的好处。因此，未修饰的mRNA可能通过I型IFN途径发挥其佐剂效应。 图4. 1 mΨ修饰对癌症疫苗接种的影响。(a) 装载卵清蛋白（OVA）mRNA的iLNP被肌肉内注射到皮下携带表达OVA的B16F0肿瘤的小鼠中。评估了肿瘤大小。(b) 使用iLNPs肌肉内注射0、40、70和100% 1 mΨ修饰的mCherry mRNA。量化了淋巴结和脾脏中常规类型1和2树突状细胞（cDC1和cDC2）中mCherry表达的效率。版权所有© 2022 sittplangkoon, Alameh, Weissman, Lin, Tam, Prompetchara和Palaga。 相反，与iLNP一起传递的1 mΨ mRNA在产生抗原特异性抗体方面比未修饰的mRNA更有效，这表明未修饰的mRNA中佐剂效应的负面影响。一项全面研究调查了1 mΨ修饰对基于iLNP的流感病毒疫苗在小鼠中结果的影响。在i.d.疫苗接种后，1 mΨ mRNA在诱导抗原特异性CD4+ T细胞和抗体方面优于未修饰的mRNA（图5（a）），伴随着脾脏中Tfh和GC B细胞的增强产生。这些结果可能反映了未修饰的mRNA佐剂效应的负面影响。同时，1 mΨ mRNA比未修饰的mRNA产生了更有效和持久的报告蛋白表达（图5（b））。值得注意的是，1 mΨ修饰对蛋白表达效率的好处在器官和细胞类型之间有所不同，在脾脏免疫细胞中尤为明显，包括单核细胞、巨噬细胞和树突状细胞。因此，1 mΨ修饰的mRNA在免疫细胞中提供增强的抗原表达的能力也可能有助于其高疫苗潜力。最近的一项研究通过调查使用三种不同的iLNPs在小鼠和NHPs中1 mΨ修饰的效果，提供了关于先天免疫反应和抗体产生效率之间关系的机制见解。在研究中，1 mΨ修饰增加了抗体产生效率，并伴随着系统性趋化因子和细胞因子分泌的减少。更具体地说，在三种iLNPs中，两种在没有1 mΨ修饰的情况下诱导了大量I型IFN分泌的iLNPs，在1 mΨ修饰后获得了比其他iLNPs更大的疫苗效率好处，后者在没有修饰的情况下显示出最小的I型IFN反应。因此，I型干扰素反应可能是抑制疫苗结果的罪魁祸首。 图5. 1 mΨ修饰对传染病疫苗的影响。(a) 小鼠通过皮内注射使用iLNPs装载的未修饰或1 mΨ修饰的表达流感病毒血凝素（HA）的mRNA进行疫苗接种。评估了HA抑制滴度。(b) 在使用装载未修饰和1 mΨ修饰mRNA的iLNP皮内注射后评估荧光素酶表达效率。版权所有© 2018 Pardi等人。 mRNA杂质的免疫刺激也可能产生负面影响。在最近的一项iLNP mRNA疫苗研究中，C57BL6小鼠比BALB/c小鼠表现出更弱的体液免疫诱导。在这两种小鼠之间比较，C57BL6小鼠的树突状细胞产生的I型IFN比BALB/c小鼠多10倍以上。在使用HPLC从mRNA中去除dsRNA污染物后，C57BL6中的IFN产生被抑制，C57BL6小鼠中的抗体产生增加到与BALB/c小鼠观察到的水平相当。这些数据也表明了I型IFN对体液免疫诱导的抑制效应。在人类中，如上所述，I型IFN信号通路的缺陷并没有损害SARS-CoV-2 mRNA疫苗中的抗体产生。因此，人类的抗体产生可能不需要强烈的佐剂效应和I型IFN激活。从安全角度来看，1 mΨ修饰减轻了使用iLNP在NHPs中mRNA疫苗接种后系统性细胞因子和趋化因子的释放。因此，诱导最小I型IFN反应的mRNA疫苗配方可能在专注于体液免疫的疫苗中更实用。同时，也应注意到化学修饰的必要性仍然是有争议的。事实上，装载未修饰的mRNA的iLNP在NHPs中诱导了有效的体液免疫，其水平与临床批准的COVID-19疫苗装载1 mΨ mRNA的水平相当。 除了核苷修饰，I型IFN信号在CTL诱导中的作用提供了另一个复杂机制的例子，这些机制是佐剂效应的基础。值得注意的是，I型IFN信号根据疫苗接种途径对CTL诱导产生相反的效果。IFNAR1基因敲除或IFNAR1阻断抗体改善了局部给药后mRNA脂质复合物的CTL诱导效率，包括皮内(i.d.)、皮下(s.c.)和淋巴结内给药，显示出I型IFN信号对疫苗接种的负面影响。重要的是，即使没有从mRNA中大幅度提高蛋白表达效率，IFNAR1阻断也改善了疫苗接种效果。因此，除了抗原表达效率之外的机制，大概是I型IFN信号的过度佐剂效应，可能会损害疫苗接种效果。相反，IFNAR1基因敲除降低了系统性注射后CTL诱导的效率，显示出I型IFN佐剂效应的积极影响。根据对疫苗接种中I型IFN信号的后期机制研究，局部给药后的负面影响和系统性给药后的积极影响在条件性IFNAR1基因敲除的CD4+ T细胞中被消除，但在树突状细胞中没有。因此，I型IFN对CD4+ T细胞的作用可能解释了其在疫苗接种中相互矛盾的效果。 对于CD4+ T细胞的激活，I型IFN信号和抗原呈递的动力学在CD4+ T细胞的命运中起着关键作用。在抗原呈递给T细胞受体之前，I型IFN信号对T细胞具有抗增殖和促凋亡作用。另一方面，同时或延迟的I型IFN信号对T细胞具有增殖和抗凋亡作用。这种动力学上的差异可能解释了系统性给药和局部给药之间I型IFN的相互矛盾效果。系统性注射可能将mRNA直接送入脾脏树突状细胞，允许与I型IFN暴露相对快速和同时的抗原呈递，从而激活T细胞。另一方面，局部注射需要时间让组织残留的APCs迁移到淋巴器官。这可能会延迟抗原呈递，从而对T细胞功能产生负面影响。 最近的一项研究揭示了iLNP对先天和适应性免疫反应的长期影响，持续数周。有趣的是，预先注射装载非抗原mRNA的iLNP或空iLNP减少了2周后注射的后续iLNP疫苗产生抗体和GC B细胞的效果（图6(a,b)）。当预注射到疫苗接种的时间间隔从2周增加到8周时，抑制效果仍然存在，但程度较小。预注射降低了后续疫苗接种中mRNA iLNP的抗原表达效率，这可能有助于抑制效果。进一步的机制实验通过评估iLNP预注射对预防传染病的保护效果，调查了先天免疫在这种抑制效果中的作用。在这个实验中，接受装载非抗原mRNA的iLNP的小鼠在2周后被流感病毒和白色念珠菌挑战，其中先天免疫决定了对感染的易感性（图6(c)）。有趣的是，预注射对流感病毒（图6(d)）提供了保护效果，但加剧了白色念珠菌的感染（图6(e)）。iLNP预注射后血液中中性粒细胞水平的降低可能解释了白色念珠菌的结果，而涉及流感病毒挑战实验的机制尚不清楚。重要的是，两个结果都表明iLNP注射对先天免疫反应的长期影响对抗随后的传染病。通过显示iLNP对后续疫苗接种的抑制效果，这项研究可能具有临床意义。通过延长初次和加强剂量之间的时间间隔，提高了COVID-19疫苗在人类中的效力。初次剂量对加强剂量的抑制效果可能解释了这一临床结果。 图6. iLNP预注射对后续先天和适应性免疫反应的影响。(A-B) 装载非抗原mRNA (eGFP)、空iLNP (eLNP) 或PBS被皮内注射。两周后，注射装载血凝素（HA）的iLNP，随后在疫苗接种后两周评估疫苗效果。(a) 实验方案。(b) HA特异性抗体产生。(c-e) 注射装载非抗原mRNA的iLNP两周后，小鼠被流感病毒或白色念珠菌挑战。(c) 实验方案。(d, e) 流感病毒挑战后的病毒载量(d)和白色念珠菌挑战后的病毒载量(e)。版权所有© 2021 Qin等人。 总的来说，这一节提供了过度佐剂效应阻碍疫苗效果的例子，而佐剂效应是mRNA疫苗的重要组成部分，如前几节所描述的。免疫刺激的强度、信号通路和动力学可能部分解释了佐剂效应的杰基尔和海德特性，尽管需要进一步的机制研究来理解和控制佐剂效应的结果。 3.传递 3.1.传递概述 有效的疫苗接种需要在淋巴器官中表达抗原的APCs（抗原呈递细胞），包括淋巴结和脾脏，与T细胞和B细胞合作以诱导适应性免疫。mRNA疫苗在淋巴器官中的APCs实现抗原表达主要有两条途径（图7）。在一条途径中，mRNA疫苗在非淋巴组织给药后，残留的APCs在注射部位摄取抗原mRNA，然后通过淋巴管迁移到淋巴组织。这些过程需要数小时到数天。在APCs较少的组织中，这一途径需要mRNA疫苗引发的先天免疫反应触发免疫细胞向注射部位的浸润。将mRNA疫苗传递到富含APCs的组织，如皮肤组织，是利用这一途径的另一种策略。在另一条途径中，疫苗纳米颗粒通过淋巴管传递，直接将mRNA传递到淋巴组织中的APCs，这一过程需要数分钟到数小时。值得注意的是，淋巴管有对流以促进这一过程。这一途径需要具有适合淋巴运输的尺寸和表面特性的纳米颗粒。此外，靶向配体可以帮助疫苗在淋巴组织中的积聚和保留，并将疫苗传递给特定类型的免疫细胞。从安全角度来看，疫苗在淋巴器官中的保留对于避免疫苗分布到非淋巴器官、异位抗原表达和先天免疫激活至关重要。以下各节将从传递的角度讨论mRNA疫苗接种，重点关注传递途径和纳米颗粒设计（表2）。每个部分首先一般性地描述每种疫苗传递途径，然后专注于mRNA疫苗接种。 图7. iLNP mRNA疫苗肌肉内注射后的可能机制。在一条途径中，iLNPs迁移到淋巴结以在淋巴结中的APCs中提供抗原蛋白表达。在另一条途径中，免疫细胞浸润到注射部位并在摄取抗原后迁移到淋巴结。 3.2.非淋巴组织的传递 大多数临床可用的疫苗都是注射到肌肉或皮下组织，尽管这些组织中APCs很少。因此，需要浸润注射部位的APCs摄取疫苗并迁移到近端引流淋巴结，以促进适应性免疫反应的协调激活。或者，疫苗可能直接通过淋巴管传递到这些淋巴结。与皮下途径相比，肌肉内注射通常在注射部位的不良事件风险较低，并诱导更强的免疫反应。肌肉组织通常血管和淋巴循环更丰富，允许疫苗有效运输到淋巴结。这可能解释了肌肉内注射途径相对于皮下途径在疫苗接种中的优势。相比之下，皮下给药的疫苗倾向于在注射部位停留较长时间，大概是因为皮下脂肪组织的血管化有限和物质交换能力低。因此，皮下途径在疫苗接种中依赖于APC迁移到淋巴结，而不是疫苗迁移。 在mRNA疫苗引起广泛关注之前，其他领域的广泛研究已经讨论了疫苗纳米颗粒的物理化学特性如何决定它们在细胞间质给药后的命运。特别是，它们的尺寸和表面特性，如电荷和亲水性，是它们淋巴结转移的决定因素。尺寸在10到100纳米之间，更具体地说是20-50纳米的纳米颗粒，适合穿越细胞间质并进入和通过淋巴管。然而，尺寸在100-200纳米的纳米颗粒表现出较差的淋巴结迁移能力，因为大约100纳米大小的水通道限制了它们通过细胞间质的扩散和对流。尺寸超过200纳米的纳米颗粒停留在注射部位，并完全依赖于APCs的摄取和APC迁移到淋巴结以提供疫苗效果。相反，小于10纳米的纳米颗粒更倾向于进入血管而不是淋巴管，因为尺寸允许穿透血毛细血管壁。此外，血毛细血管中的流动大约是淋巴流动的100-500倍，有助于清除纳米颗粒。 关于纳米颗粒的表面特性，带正电荷的纳米颗粒被注射部位的负电荷细胞膜和细胞外基质所困。相比之下，带负电荷或未带电荷的纳米颗粒缺乏这种局部相互作用，可以穿过淋巴管传递到淋巴结，显示出在疫苗接种中的适宜特性。用包括聚乙二醇（PEG）在内的亲水性隐形材料涂层纳米颗粒表面，可以进一步提高纳米颗粒向淋巴结的迁移效率，因为这种表面与细胞间质的相互作用最小。有趣的是，纳米颗粒的PEG化使超过100纳米尺寸的纳米颗粒转移成为可能，如120纳米尺寸的阴离子脂质体和250纳米尺寸的阳离子脂质体，大概是因为PEG化可能改善了纳米颗粒的胶体稳定性，并减少了它们在注射部位细胞间环境中的非特异性吸附。同时，纳米颗粒表面的PEG密度需要优化。例如，含有1摩尔% DSPE-PEG2000的阳离子脂质体在淋巴结中的保留时间延长，并且比含有5摩尔% DSPE-PEG2000的APCs摄取增强，而两种脂质体都有效地迁移到淋巴结。另一项研究也揭示了PEG密度优化对最大化疫苗效力的重要性。针对APCs的配体，如甘露糖衍生物和针对DC40、CD11c和DEC-205的抗体，也可以提高传递效率到APCs。然而，这些方法增加了制造的成本和复杂性。考虑到APCs的高吞噬活性以及它们在淋巴结中的丰富性，一旦纳米颗粒到达淋巴结中的APCs，调整纳米颗粒的物理化学特性可能就足够了。 这些关于纳米颗粒疫苗的研究为mRNA疫苗的开发提供了基础。根据之前的一项mRNA研究，直接将裸mRNA疫苗注射到淋巴结中可以产生强大的CTL反应，而裸mRNA疫苗在其他传递途径中，包括皮内、皮下和近淋巴结注射，未能诱导出可检测的疫苗效果。淋巴结内裸mRNA注射在针对新抗原的癌症疫苗的临床试验中也显示出有希望的结果。这些研究强调了在淋巴结中获得抗原表达的重要性。然而，淋巴结内注射需要在超声成像的指导下进行繁琐的操作，阻碍了广泛的临床应用。相比之下，在普通医疗护理中进行的局部注射，如皮下和肌肉内注射，针对的是非淋巴组织。因此，mRNA疫苗应该具有在传递到非淋巴组织后在淋巴组织中的APCs诱导抗原表达的功能。促进mRNA疫苗和APCs向淋巴结迁移是实现这一目的的两条主要途径（图7），而这两个途径通常无法区分。 有趣的是，mRNA iLNP在肌肉内注射后在引流淋巴结中有效地产生表达抗原的APCs，这可能有助于批准的COVID-19 mRNA疫苗的高效性。之前的一项研究通过正电子发射断层扫描-计算机断层摄影术跟踪了NHPs中放射性标记的iLNP。肌肉内注射后4小时内，iLNP在距离注射部位远达9.2厘米的淋巴结中提供了强烈的信号。其他研究通过观察小和大动物肌肉内注射iLNP后mRNA分布和报告蛋白表达，进一步深入了解了局部传递后mRNA iLNP在细胞水平上的过程。iLNP诱导免疫细胞浸润到注射部位，并在浸润的免疫细胞以及残留的成纤维细胞和脂肪细胞中提供报告蛋白表达。报告蛋白表达在注射后8小时在引流淋巴结中有效观察到，但在非引流淋巴结中未观察到。表达水平逐渐下降，但在注射后7天仍高于检测限。在淋巴结中的各种细胞类型中，位于被膜下和髓质窦的巨噬细胞表现出强大的报告表达，而树突状细胞和单核细胞的表达效率较低，T细胞和B细胞中几乎检测不到。巨噬细胞可能作为APCs通过与T细胞和B细胞的相互作用来触发强大的适应性免疫。值得注意的是，人类引流淋巴结在肌肉内疫苗接种后也显示出疫苗mRNA和抗原蛋白表达的有效积累。尽管上述研究没有精确区分在淋巴结中获得抗原表达的两条途径，即iLNP和APCs的迁移（图7），但iLNP在远处淋巴结的快速积累意味着iLNP迁移的贡献。此外，iLNP在全身器官中诱导了强大的蛋白表达，包括肝脏和脾脏，大概是通过iLNP迁移而不是APC迁移，突出了iLNP在注射部位以外传播的潜力。 几项研究试图进一步区分这两条途径的贡献。为了这个目的，最近的一项研究准备了一个在注射部位具有高效抗原蛋白表达效率而在引流淋巴结中效率低的系统。mRNA和空iLNP的混合物在肌肉内注射后在注射部位提供了可比较的蛋白表达水平，但与装载mRNA的iLNP相比，在引流淋巴结中的水平要低得多。值得注意的是，与装载mRNA的iLNP相比，mRNA和空iLNP的混合物在诱导体液和细胞免疫方面的效率要低得多。这些结果表明，淋巴结中抗原表达在疫苗接种中的重要贡献。尽管这项研究无法精确区分iLNPs和APCs的迁移，但可以合理假设装载mRNA的iLNP可能比mRNA和空iLNP的混合物更有效地将抗原mRNA传递到淋巴结。因此，结果表明iLNP迁移到引流淋巴结在疫苗接种中的重要角色。考虑到纳米颗粒的大小对其淋巴结迁移效率的影响，mRNA iLNPs的大小也可能影响其疫苗结果。在这种情况下，之前的一项研究使用小鼠中的135批iLNP进行回顾性研究，显示了抗体产生效率和iLNP大小之间的明确相关性。这一结果支持iLNP迁移到淋巴结在疫苗接种中的参与。同时，这种相关性在NHPs中变得不那么明显，这可能反映了小鼠和NHPs之间淋巴系统解剖学的差异。 另一项研究比较了iLNP、阳离子纳米乳和阳离子脂质体的疫苗效果，揭示了每种配方的目标细胞类型影响体液和细胞免疫的诱导效率（图8(a)）。肌肉内注射后，与其他配方相比，iLNP产生了更高水平的抗体产生，但细胞免疫水平较低（图8(b)）。在报告试验中，阳离子脂质体在小鼠的引流淋巴结中诱导蛋白表达的效率比其他配方更高。在培养细胞实验中，iLNP在蛋白表达方面对肌细胞的偏好超过了树突状细胞。相反，阳离子纳米乳和脂质体在树突状细胞中显示出高效的蛋白表达。基于这些结果，作者假设阳离子脂质体在淋巴结中的有效积累和有效的mRNA传递到树突状细胞有助于细胞免疫的强烈诱导。相比之下，iLNP可能主要在肌细胞中提供蛋白表达，然后APCs摄取肌细胞释放的抗原。这一过程可能更倾向于诱导体液免疫。重要的是，非APCs中的抗原蛋白表达以几种模式对疫苗结果做出贡献。当mRNA编码分泌性抗原时，APCs可以摄取非APCs分泌的抗原。在质粒DNA（pDNA）疫苗的研究中，编码分泌性OVA的pDNA在肌肉内和皮内裸注射后产生的抗OVA抗体水平比编码膜结合或细胞质OVA的更高，显示了抗原分泌的好处。同时，在mRNA iLNP疫苗中，编码细胞相关和分泌性血凝素（HA）的mRNA显示出可比的抗HA抗体产生，表明在这种情况下抗原分泌的作用边缘化。在另一种模式中，非APCs的细胞碎片也可以在疫苗接种后表达抗原的非APCs受损时向APCs提供抗原。 图8. 不同mRNA疫苗配方的接种效果。(a) mRNA疫苗配方。(b) 针对SARS-CoV-2尖峰蛋白的受体结合域（RBD）的每种疫苗配方诱导的体液和细胞免疫。版权所有© 2022 Shi等人。 一些研究表明mRNA疫苗不需要迁移到淋巴组织就能有效地进行疫苗接种。最近的一项研究对裸saRNA进行了皮内注射，该saRNA优选在皮肤温度范围（30-35°C）内复制，但在体温或超过37°C时变得失活。裸RNA分布在注射部位以外的其他器官是不可能的，因为在迁移到其他器官的过程中裸mRNA可能会被降解。此外，其他组织中非最佳温度限制了saRNA仅在皮肤中复制。即使仅在皮肤中表达抗原，这种疫苗配方也能诱导强大的细胞免疫。另一项研究表明，即使阳离子纳米乳基saRNA疫苗的分布最小化到淋巴结或其他器官，也能通过强烈的体液免疫诱导。在saRNA疫苗中，saRNA附着在纳米颗粒的表面，与脂质层内装载mRNA的iLNP相反。该研究比较了阳离子纳米乳和iLNP之间的生物分布和疫苗效果。在小鼠肌肉内注射后，纳米乳主要将蛋白表达限制在注射的肌肉中，而iLNP在引流淋巴结和肝脏中提供了强烈的蛋白表达。然而，纳米乳比iLNP诱导了更强烈的体液免疫反应，表明迁移到淋巴结在疫苗接种中并非不可或缺。值得注意的是，纳米乳的这种局部分布有助于避免全身炎症反应，而iLNP诱导了全身细胞因子释放和体重减轻。 值得注意的是，最近的一项研究揭示了NHPs中mRNA iLNP的大量系统分布，在肌肉内注射后在脾脏、肝脏和血浆中检测到注射的mRNA。这种系统分布可能在人类中引起安全问题，包括罕见的自身免疫性肝炎和心肌炎病例。自身免疫性肝炎的人类研究揭示了针对肝脏中尖峰蛋白的CD8+ T细胞的存在。这一结果表明，T细胞可能在mRNA疫苗接种后攻击表达尖峰蛋白的肝细胞。关于心肌炎，对mRNA疫苗接种后死亡的患者进行的mRNA分布调查揭示了在几位患者的心肌中存在疫苗衍生的mRNA。有趣的是，这些患者的心脏部分可视化显示心脏损伤的证据，有巨噬细胞浸润，而这种变化在心脏中未检测到疫苗mRNA的患者中要少得多。这些结果暗示了心肌炎和iLNP分布到心脏之间的因果关系。 尽管这些研究强调了mRNA疫苗系统分布的潜在安全风险，但mRNA疫苗更倾向于超越注射部位到淋巴器官。因此，研究人员试图开发能够迁移到引流淋巴结而不发生系统泄漏的mRNA疫苗配方。例如，之前的一项研究筛选了基于引流淋巴结中蛋白表达水平的iLNP配方，使用了一组可电离脂质和具有不同混合比例的四种脂质成分的iLNP。与BNT162b中使用的iLNP相比，最佳iLNP在淋巴结中提供了增强的蛋白表达，并最小化了肝脏或其他系统器官中的表达。另一项研究通过使用大约100 nm（小）、180 nm（中）和330 nm（大）大小的iLNP来调查iLNP大小的影响，从而提供了机制上的见解。肌肉内注射后，小型和中型iLNP从注射部位泄漏出来，在肝脏中积累并提供了强烈的蛋白表达，而大型iLNP显示出从注射部位的最小泄漏。 使用iLNP以外的传递系统也可能减少mRNA疫苗的系统泄漏，因为iLNP在肝脏积累中具有积极机制。血液中的载脂蛋白E（ApoE）与iLNP结合，通过肝脏中的低密度脂蛋白受体促进其被肝细胞吸收。没有这种积极机制，一些脂多聚复合物和多聚复合物避免了在肝脏中的积累，但允许有效地传递到淋巴器官，实现安全有效的疫苗接种。脂多聚复合物的研究比较了其分布与肌肉内注射后iLNP的分布（图9(a)）。脂多聚复合物在淋巴器官中，包括淋巴结和脾脏中，提供了有效的荧光素酶表达，而在肝脏中的表达最小，而肝脏是iLNP注射后表达荧光素酶的主要器官（图9(b)）。在脂多聚复合物注射后的定量PCR评估中，83%的mRNA停留在注射的肌肉中，其余的mRNA主要分布在血液中，只有0.06%分布在肝脏中（图9(c)）。这些结果表明了脂多聚复合物有利的分布概况。这种脂多聚复合物在小鼠和NHPs中诱导了针对SARS-CoV-2的强大疫苗接种，显示出对感染的保护效果。疫苗显示出可接受的安全性概况，全身细胞因子释放和白细胞的短暂增加。 图9. 脂多聚复合物的生物分布。(a) 脂多聚复合物的制备。(b) 脂多聚复合物和装载荧光素酶mRNA的iLNP肌肉注射后的荧光素酶表达分布。(c) 通过qPCR评估脂多聚复合物注射后的mRNA分布。饼图显示了每个器官中累积的mRNA拷贝数。版权所有© 2021 Yang等人。 3.3.皮内传递 与肌肉和皮下组织相比，皮肤是一个高度免疫原性的组织，为疫苗接种提供了一个有吸引力的场所。表皮中的免疫相关细胞包括角质形成细胞、APCs（如朗格汉斯细胞）、真皮树突状细胞和巨噬细胞，以及特定的T细胞亚群，它们共同作用于触发先天和适应性免疫。角质形成细胞占表皮细胞的80%，它们表达一系列模式识别受体，并通过分泌促炎细胞因子（IL-1α、IL-1β、IFN-α、IFN-β和G-CSF）以及促进朗格汉斯细胞迁移和分化的细胞因子（IL-6、IL-10、IL-18和TNF-α），为发展免疫原性环境做出贡献。朗格汉斯细胞和真皮树突状细胞擅长捕获抗原并迁移到引流淋巴结进行抗原呈递，从而激活适应性免疫反应。真皮环境富含血管和淋巴管，吸引免疫细胞并促进它们在对促炎刺激的反应中进入淋巴流动，允许疫苗有效地传递到淋巴结。 真皮组织作为免疫器官的这些有利特征促使多年来开发皮内mRNA疫苗。早期的动物研究已经证明了皮内普罗胺/mRNA疫苗针对传染病和癌症的潜力。皮内普罗胺/mRNA疫苗还在癌症疫苗的人类临床试验中提供了可检测的抗原特异性T细胞反应。此外，针对狂犬病病毒糖蛋白的皮内喷射普罗胺/mRNA疫苗在人类中诱导了强大的中和抗体和CD4+ T细胞反应，没有严重的安全问题。皮内给药途径即使在裸mRNA疫苗中也显示出其临床潜力。在一项临床试验中，使用粒细胞-巨噬细胞集落刺激因子（GM-CSF）作为佐剂的裸mRNA疫苗针对几种肿瘤相关抗原，通过诱导对抗原有反应的CD4+和CD8+ T细胞，减缓了一些患者的肾癌进展。最近，BNT162b2和mRNA-1273，这两种基于iLNP的COVID-19疫苗在临床上被批准用于肌肉内给药，它们在临床试验中被测试了皮内注射的潜力。皮内注射10μg或20μg的mRNA-1273产生了几乎与肌肉内注射100μg mRNA相当的尖峰特异性抗体，表明皮内给药在剂量节省方面的潜力。BNT162b2的临床研究评估了作为灭活疫苗接种者的增强剂量的疫苗接种结果。在这些研究中，皮内注射五分之一剂量和肌肉内注射全剂量诱导了几乎相当的针对尖峰蛋白的体液和细胞免疫反应。值得注意的是，与全剂量注射BNT162b2相比，五分之一剂量的皮内疫苗接种减轻了系统性反应原性。 一项机制研究使用NHPs对皮内和肌肉内mRNA疫苗接种进行了详细比较。在针对流感病毒的基于iLNP的mRNA疫苗中，皮内途径在产生抗原特异性抗体和CD4+记忆T细胞方面优于肌肉内途径。皮内和肌肉内iLNP给药都导致循环中性粒细胞、单核细胞和树突状细胞浸润到注射部位。值得注意的是，皮内给药刺激了CD209+残留真皮APCs的增殖。有趣的是，在皮内传递荧光标记的装载报告蛋白mRNA的iLNP后，CD1a+和CD209+真皮APCs有效地摄取了iLNP，提供了长达9天的报告蛋白表达，激活表达CD80，并迁移到引流淋巴结。这些真皮APCs可能增强了皮内传递后的疫苗效果。最近的一项研究评估了使用敲除这些细胞类型的小鼠在接种装载saRNA的iLNP后朗格汉斯细胞和常规类型1树突状细胞（cDC1）的贡献。缺乏这两种细胞类型的小鼠表现出血清中疫苗特异性抗体诱导和引流淋巴结中Tfh和GC B细胞反应受损（图10(a)）。有趣的是，那些只缺乏一种细胞类型的小鼠没有表现出疫苗效果受损，表明朗格汉斯细胞和cDC1s在mRNA疫苗接种中的冗余作用。同一研究还通过评估有无中性粒细胞耗竭的疫苗效果，探索了中性粒细胞在疫苗接种中的作用。中性粒细胞耗竭并没有显著减少Tfh和GC B细胞反应和抗体产生（图10(b)），表明在皮内mRNA疫苗接种中浸润中性粒细胞的较小贡献。如图7所示，mRNA疫苗有两种机制来获得APCs在淋巴结中的抗原表达：组织残留APCs迁移到淋巴结和mRNA疫苗纳米颗粒的迁移。在这种情况下，本节中的皮内疫苗接种研究表明，通过展示真皮组织残留APCs的关键作用，前一种机制做出了巨大贡献。同时，并非所有mRNA疫苗都受益于皮内给药途径。例如，以前的saRNA疫苗报告显示，皮内途径提供了与肌肉内途径相当或效率较低的疫苗效果。其他因素，包括抗原蛋白表达的效率、saRNA生物分布和佐剂效应，可能是这些设置中疫苗接种结果的决定因素。 图10. 朗格汉斯细胞（LCs）和常规树突状细胞1（cDC1）在皮内mRNA疫苗接种中的作用。使用iLNPs皮内注射表达HA的mRNA。(A) 在野生型（WT）小鼠或缺乏一个或两个LCs和cDC1的敲除小鼠中的抑制滴度。(B) 在疫苗接种前用中性粒细胞耗竭抗体（1A8）注射的WT小鼠中的抗体水平。版权所有© 2022 Ndeupen等人。 皮内疫苗接种途径在临床设置中面临技术困难和注射不准确的问题。这一问题促使了新的注射方法和设备的开发。其中，喷射注射器在狂犬病毒的临床试验中被使用。有趣的是，普罗胺/mRNA多聚体的喷射注射，而不是多聚体的针头注射，在人类中诱导了可检测的抗体产生。这一结果揭示了喷射注射改善疫苗效果的额外好处，大概是通过提高多聚体的传递效率。 微针提供了另一个有希望的皮内疫苗接种选择。例如，裸mRNA和脂质mRNA载体在用空心微针注射后在猪皮中提供了有效的报告蛋白表达，这种微针允许从每个针尖的孔中注入液体。最近的一项研究开发了由可溶解聚合物基质组成的微针，其中包含mRNA iLNP。微针在插入皮肤后30分钟内溶解以释放iLNP。这一系统在水平上显示出与相同iLNP的肌肉内注射相当的强大疫苗效果对抗SARS-CoV-2。此外，该系统可以在室温下耐受6个月的储存，储存后蛋白表达效率没有显著下降。 3.4.系统性传递 通过静脉注射进行的系统性给药提供了一条有效的途径，可以达到全身的器官或组织。与其它注射途径相比，其低侵入性、技术简单性和普遍适用性也具有吸引力。值得注意的是，通过系统性给药的重组蛋白癌症疫苗在治疗黑素瘤和结直肠癌方面显示出高疗效。在目标器官中，脾脏和淋巴结作为富含免疫细胞（包括T细胞、B细胞和树突状细胞）的二级淋巴器官，在疫苗接种中发挥关键作用。特别是，疫苗的主要靶器官是静脉注射的脾脏和局部给药的淋巴结。 多年来，除了mRNA疫苗领域外的研究已经解决了控制系统给药纳米颗粒生物分布的一个艰巨挑战。纳米颗粒的物理化学属性决定了它们在系统给药后的生物分布。例如，纳米颗粒应具有直径大于6纳米或分子量大于50 kDa，以避免通过肾脏肾小球滤过快速清除。尺寸在10到200纳米之间的纳米颗粒优先在肝脏中积累，肝脏是一个主要的清除器官。这一尺寸范围与肝脏窦状内皮细胞中的孔径（50-200纳米）和Kupfer细胞的大小依赖性吞噬活性一致。此外，肝脏窦状内的慢血流促进了纳米颗粒对窦状壁的捕获，肝脏的重量也是一个导致纳米颗粒在肝脏中积累的原因。疫苗纳米颗粒应避免这些清除和清除机制，以改善脾脏靶向。用生物相容性亲水性聚合物，如PEG或两性离子聚合物，涂层纳米颗粒表面，可以有效地减少纳米颗粒的肝脏摄取。PEG化肝脏窦状内皮壁，而不是纳米颗粒，也可以抑制纳米颗粒在肝脏中的积累。脾脏通过脾脏窦隙的内皮缝隙物理捕获大于200纳米的纳米颗粒，这些缝隙过滤血液成分，而微米级聚集体则受到肺微血管的捕获。此外，将纳米颗粒的表面电荷从正变为负或用亲水性聚合物修饰它们可以显著改善它们对脾脏的选择性。总的来说，略大于200纳米的大小、阴离子表面和亲水性隐形涂层可能是适合脾脏靶向的属性，而脾脏APCs的靶向配体可以进一步增强纳米颗粒在脾脏中的积累。 在mRNA疫苗领域，一项开创性研究已经证明了系统性mRNA疫苗在动物实验和人类临床试验中对抗癌症的效用。在该研究中，具有不同表面电荷的脂质体，通过改变mRNA和阳离子脂质体的混合比例制备，基于它们在系统注射到小鼠后在脾脏中的mRNA传递效率进行筛选。在报告试验中，用mRNA对阳离子脂质体的过量电荷比制备的阴离子脂质体，有效地将mRNA传递到脾脏、淋巴结和骨髓中的CD11c+树突状细胞，提供蛋白表达。这一系统在几种小鼠癌症模型中展示了有效的治疗效果，并在人类中诱导了可检测的抗原特异性T细胞。随后的临床试验通过靶向肿瘤相关抗原和新抗原展示了这一系统的强大的抗肿瘤效果。人类中的荧光-2-脱氧-2-D-葡萄糖正电子发射断层扫描（FDG-PET）显示，在这一阴离子脂质体传递后，脾脏中葡萄糖摄取选择性增加（图11），表明这一系统在人类中也成功地靶向脾脏。 图11. 通过系统给药使用脂质体靶向人类脾脏。在使用阴离子脂质体进行静脉疫苗接种后的人体中进行18F-2-脱氧-2-D-葡萄糖正电子发射断层扫描。脾脏被圈出。版权所有© 2018 Pektor等人。 这一临床成功正在促进针对脾脏的mRNA传递系统的开发。例如，向mRNA iLNP中添加阴离子脂质将iLNP从肝脏重新定向到脾脏，而iLNP具有肝脏的内在亲和性。随后的机制研究表明，添加阴离子脂质改变了血液循环中附着在iLNP上的蛋白质冠的组成，这可能决定了iLNPs的组织亲和性。同样，来自报告mRNA和聚阳离子的聚复合物在小鼠静脉注射后选择性地在脾脏和淋巴结中提供报告蛋白表达（图12(a)）。聚阳离子具有两性离子结构，向阳离子侧链添加了带负电荷的磷酸基团。在淋巴结中，CD4+ T细胞和巨噬细胞有效地表达了报告蛋白（图12(b)）。尽管阴离子纳米颗粒经常用于mRNA疫苗中靶向脾脏，但一种称为两亲性碳点的阳离子纳米颗粒也展示了选择性mRNA传递到脾脏。 图12. 使用聚复合物在小鼠中靶向淋巴组织。系统性注射编码荧光素酶（a）和tdTomato（b）的报告mRNA。（a）荧光素酶表达的分布。（b）淋巴结中表达tdTomato的细胞类型。版权所有© 2021美国化学会。 碳点是通过将疏水烷基链结合到基于多胺的纳米颗粒上制备的。通过体外筛选选出的两种碳点配方在系统注射后评估了其体内功能。其中一种实现了对脾脏的选择性mRNA传递，在癌症疫苗中诱导了有效的抗肿瘤活性。总的来说，这些系统利用纳米颗粒的物理化学属性进行脾脏靶向。然而，在大多数系统中，靶向的确切机制仍然不清楚，阐明这些机制将有助于未来合理设计脾脏靶向系统。 除了依赖于物理化学属性的策略外，配体基础系统也被追求作为一种实现细胞水平精确靶向的策略。一项开创性的研究将甘露糖配体附着在脂多聚复合物上，这增加了mRNA传递到脾脏树突状细胞的效率4倍。在应用于靶向肿瘤相关抗原的癌症疫苗时，脂多聚复合物显示出有效的抗肿瘤效果。然而，脂多聚复合物在脾脏以外的器官中诱导了蛋白表达，包括肝脏。为了提高对脾脏树突状细胞的选择性，随后的研究使用三甘露糖而不是单甘露糖作为配体。结果，三甘露糖脂多聚复合物将mRNA专门传递到脾脏，并在其他器官中最小化了传递mRNA的蛋白表达。此外，在小鼠中耗尽CD11c+ APCs后脾脏中的蛋白表达显著减少，显示出该系统在脾脏APCs中的高特异性。有趣的是，该系统诱导的CTL反应独立于I型IFN，因此即使带有1 mΨ修饰也保留了CTL活性。因此，装载1 mΨ修饰的mRNA的脂多聚复合物提供了有效的癌症疫苗，并最小化了系统性细胞因子释放的诱导。另一组使用唾液酸作为配体，靶向树突状细胞表面表达的唾液酸结合免疫球蛋白样凝集素-1 (Siglec-1) 作为iLNP的配体。有趣的是，将唾液酸引入iLNP显著增加了内体逃逸效率。结果，iLNP在系统给药后允许有效的mRNA传递到脾脏树突状细胞，从而增强了抗癌症疫苗。 3.5.粘膜传递 粘膜疫苗接种可以避免侵入性注射程序，并在粘膜相关淋巴组织（MALT）中触发强大的局部和系统免疫反应。特别是，包括肺在内的上呼吸道和下呼吸道的粘膜，是针对传染病的疫苗的一个有吸引力的场所。针对COVID-19的鼻内（i.n.）给药或吸入活减毒和腺病毒载体粘膜疫苗在临床试验中显示出有希望的结果。在粘膜免疫中，分泌到粘液中的IgA在中和和消除最初进入点的外来病原体中发挥重要作用，有效预防感染。此外，鼻内疫苗接种有效地诱导交叉反应性抗体，赋予广泛的交叉保护性免疫。这一特性对于预防具有高突变率的病毒（如RNA病毒）的感染是吸引人的。有效地诱导IgA分泌需要将抗原传递到位于粘液覆盖的上皮屏障下的淋巴组织中的APCs。粘膜上皮中的M细胞介导抗原从粘膜表面到固有层的采样。因此，以前的鼻内疫苗接种研究已经尝试促进疫苗穿透粘液以被M细胞吸收，证明了这一策略的可行性。在这种给药途径中，靶向APCs也是至关重要的，其中被APCs激活的B细胞在激活的CD4+ T细胞的协助下大量分泌IgA。值得注意的是，不同部位的粘膜具有交叉对话。因此，在粘膜部位的疫苗接种可以在远处的粘膜部位诱导抗原特异性免疫，促进整个粘膜系统对病原体感染的加强。除了粘膜IgA分泌外，激活的B细胞还为全身免疫提供系统性IgG分泌。此外，粘膜疫苗接种可以诱导细胞毒性CD8+ T细胞直接杀死感染细胞或表达抗原的细胞，激励其应用于癌症疫苗。 尽管粘膜疫苗接种具有这些优点，但mRNA疫苗的应用仍然具有挑战性，很少有报告涉及这一主题。在一项针对流感病毒和SARS-CoV-2的疫苗研究中，saRNA iLNP的鼻内（i.n.）给药产生的抗体滴度比其肌肉内（i.m.）注射低10倍以上，并且细胞免疫效率较低。机制分析显示肌肉内注射后的血清细胞因子水平高于鼻内给药。因此，作者通过鼻内途径的低佐剂效应来解释i.n.路线的疫苗效率降低。随后的一项研究在i.n.、i.m.和皮内（i.d.）saRNA疫苗接种中进行了更全面的比较，使用了4种不同的疫苗配方：固体LNP、聚合物纳米颗粒、阳离子LNP和iLNP。在每种配方中，i.n.疫苗接种一致地产生了比其他疫苗途径效率低的体液和细胞免疫，即使i.n.疫苗接种使用的mRNA剂量比其他两条途径高10倍。荧光素酶mRNA报告试验显示，荧光素酶表达在i.n.给药后仅持续几天，而肌肉内和皮内注射提供了超过10天的表达。因此，通过i.n.给药引入的saRNA细胞的快速清除可能解释了i.n. saRNA疫苗接种的低免疫原性。 与此同时，几份报告在利用基于脂质和聚合物系统的i.n. mRNA疫苗接种中展示了有希望的结果。在脂质系统方面，一项开创性的研究使用了一种商业脂质试剂进行i.n. mRNA疫苗接种，在小鼠模型中预防性和治疗性给药后诱导了抗癌症活性。在另一项研究中，mRNA被装载到使用普罗胺缩合的聚乙二醇化阳离子脂质体中。这一系统在培养细胞中展示了有效的抗原表达和免疫刺激，以及在小鼠中伴随CD4+和CD8+ T细胞有效诱导的抗肿瘤活性。在最近的一项研究中，通过用阳离子脂质替代两性离子辅助脂质来增强mRNA传递效率到粘膜组织，iLNP被用于i.n.疫苗接种。结果iLNP实现了有效的mRNA传递到粘膜APCs。最终，iLNP展示了与相同系统在装载编码SARS-CoV-2尖峰蛋白的受体结合域和补体C3蛋白的融合蛋白的mRNA后肌肉内疫苗接种观察到的水平相当的强系统IgG诱导。 在聚合物系统的领域，一系列研究试图克服阻碍mRNA疫苗到达APCs的鼻上皮屏障。虽然多聚阳离子通过打开上皮细胞之间的紧密连接有效地破坏屏障，但它们可能引起组织损伤。因此，这些研究通过将聚乙烯亚胺与环糊精结合来减轻细胞毒性，从而减少电荷密度。在i.n.疫苗接种后，得到的聚复合物成功地在鼻腔和阴道腔中产生了IgA，以及IgG和抗原特异性CD8+和CD4+ T细胞。根据随后的机制研究，聚复合物在浅表颈、深颈和腋窝淋巴结中有效地提供了蛋白表达，并激活了淋巴结中的树突状细胞，从而增强了疫苗效率。在安全分析中，聚复合物没有引起血液中毒性标记物或细胞因子的增加，并且在鼻上皮和肝脏的组织切片中没有观察到异常。在最近的一项研究中，通过聚乙二醇化mRNA聚复合物传递到肺部尝试了粘膜疫苗接种。对于聚复合物的肺部传递，需要优化表面PEG密度。PEG减轻了由阳离子聚复合物引起的组织损伤，并促进了它们对粘膜的穿透，尽管它们表面密集的PEG层阻碍了进入目标细胞。疫苗研究首先通过基于传递效率到肺部的筛选优化了PEG密度和多阳离子结构。最优聚复合物在肺部APCs和上皮细胞中有效地提供了蛋白表达。在SARS-CoV-2疫苗方面，聚复合物在引流淋巴结中诱导了抗原特异性T细胞和B细胞，包括表达IgA的B细胞。此外，观察到抗原特异性组织驻留CD8+ T细胞和强粘膜IgG分泌，证明了成功诱导粘膜免疫。最终，该系统有效地保护了小鼠免受病毒挑战。然而，该系统未能诱导可检测的IgA分泌，需要进一步改进疫苗设计。 4.未来展望 mRNA疫苗需要多种功能，包括保护mRNA免受RNase攻击、以最小化非靶向分布为目标APCs和淋巴组织，以及时空控制先天免疫激活。虽然先天免疫的刺激对于有效的疫苗接种至关重要，但过度的佐剂效应可能导致不良反应并阻碍疫苗结果。在mRNA传递系统方面，mRNA纳米颗粒迁移到淋巴器官有利于疫苗效果。然而，它们广泛分布到非靶向组织，如肝脏和心脏，可能导致罕见但严重的不良反应。在mRNA疫苗中微调这些各种因素仍然具有挑战性，需要大规模筛选以确定最优的mRNA疫苗设计。例如，SM-102是一种用于批准的COVID-19疫苗mRNA-1273的可电离脂质，它是基于小鼠和NHPs中抗原产生能力从30种LNPs配方中筛选出来的。值得注意的是，可电离脂质结构的微小变化可能导致体液免疫诱导的显著差异，而pKa在6.6和6.9之间的可电离脂质往往表现出有效的疫苗效果。有趣的是，虽然五种领先的LNPs在小鼠中展示了可比的抗体产生效率，但它们在NHPs中导致了抗体诱导的大差异，强调了疫苗效力的物种特异性变化。更详细地解密结构-功能关系可能有利于未来疫苗开发，为此，正如本评论所讨论的，正在进行有力的机制分析。 前述的物种差异是纳米医学领域的一个重要问题。例如，临床前动物模型和人类之间在纳米药物生物分布上存在显著差异。吸附到纳米药物上的蛋白质冠在不同物种中的特异性变化可以通过影响克服多种生物学屏障的过程（如有限的组织扩散和不良的清除机制）来影响它们在各个物种中的分布。此外，对mRNA疫苗构成额外障碍的炎症反应在不同物种之间也有所不同。例如，小鼠对阴离子mRNA脂质体的耐受性比人类高，系统给药时炎症反应最小。小鼠在对炎症刺激的反应中更有效地产生抗炎IL-1ra，与人类相比，减轻了mRNA疫苗的系统反应原性。解决物种差异对未来疫苗开发至关重要。 尽管mRNA疫苗在对抗COVID-19方面取得了成功，但当前的mRNA疫苗仍需改进，特别是在减少反应原性方面。虽然在大流行期间，反应原性可能被认为是可以接受的，但人们需要反应原性更温和的mRNA疫苗配方，以用于反复增强针对COVID-19的免疫力，以及更广泛地应用于其他传染病。此外，强烈的反应原性也是疫苗犹豫的原因之一。关于反应原性和免疫原性（疫苗效果）是否可以分离的辩论仍在继续。在人类中，疫苗的系统反应原性在第二次剂量后比第一次剂量更常见，这表明适应性免疫在反应原性中的参与。此外，增强的反应原性与第二次剂量后系统IFN-γ分泌水平的升高相吻合，这在人类和小鼠中都有观察到。在小鼠研究中，CD4+和CD8+ T细胞是第二次剂量中IFN-γ的主要产生者，给予IFN-γ受体中和抗体减弱了巨噬细胞、单核细胞和树突状细胞的激活。这些发现表明反应原性和免疫原性之间存在密切关系。然而，IFN-γ受体中和抗体对小鼠体液和细胞免疫诱导的效率影响很小。此外，系统反应原性的强度与人类体液和细胞免疫诱导的效果之间的相关性有限。这些结果表明反应原性和免疫原性有潜力被分离。关于佐剂效应，阐明负责反应原性和免疫原性的先天免疫信号通路可能有助于开发具有降低反应原性的高效疫苗。在淋巴结中有效积累且系统泄漏最小的mRNA传递系统可能在减轻系统不良反应的同时保持效果。 虽然这篇综述主要关注佐剂效应和mRNA传递系统，但与其他策略的结合对未来mRNA疫苗的设计至关重要。旨在延长抗原表达持续时间的RNA设计，包括saRNA和环状RNA，也可以增强mRNA疫苗的效力。saRNA疫苗ARCT-154在3期临床试验中作为加强疫苗接种，比BNT162b2或mRNA-1273的两剂接种后显示出更强的免疫原性。编码SARS-CoV-2尖峰蛋白受体结合域的环状RNA在小鼠和NHPs中诱导了强大的免疫反应，尽管环状RNA和线性mRNA之间的疫苗效果几乎相当。在重组蛋白疫苗的研究中，抗原和佐剂的暴露动力学对疫苗接种结果有很大影响，持续暴露导致增强的抗体产生。因此，在mRNA疫苗中调节动力学可以提高其效力。为了实现这一点，一些报告尝试通过水凝胶控制mRNA纳米颗粒的释放。例如，与基于脂质的商业试剂复合的mRNA被装载到基于聚(2-羟乙基甲基丙烯酸酯)(pHEMA)的多孔支架上。在皮下注射后，这种支架保留mRNA超过3天，并提高了与mRNA注射相比的蛋白表达效率。最近的研究开发了一种由氧化石墨烯(GO)和线性聚乙烯亚胺(LPEI)组成的水凝胶，装载抗原mRNA和TLR7激动剂。这种水凝胶在小鼠注射后逐渐释放装载mRNA和激动剂的GO-LPEI纳米颗粒，超过一个月，同时在此期间保护mRNA免受降解。结果，水凝胶注射比纳米颗粒的注射提高了抗肿瘤效果。由mRNA编码的蛋白质的工程也大大影响疫苗接种效果。有趣的是，在mRNA疫苗中将SARS-CoV-2的尖峰蛋白工程化形成类病毒颗粒，提高了中和滴度10倍以上。在癌症疫苗中，准确的表位预测和与其他免疫疗法的结合是关键。优化佐剂效应和传递系统，结合上述其他策略，将大幅扩展mRNA疫苗在未来的潜力。 识别微信二维码，添加生物制品圈小编，符合条件者即可加入 生物制品微信群！ 请注明：姓名+研究方向！ 版 权 声 明 本公众号所有转载文章系出于传递更多信息之目的，且明确注明来源和作者，不希望被转载的媒体或个人可与我们联系(cbplib@163.com)，我们将立即进行删除处理。所有文章仅代表作者观点，不代表本站立场。

摘要：腺相关病毒（AAV）因其极低的致病性以及在不同组织中建立长期基因表达的能力，已经成为临床基因治疗中的关键传递工具。重组腺相关病毒（rAAV）经过工程改造以增强特异性，并被开发为治疗各种疾病的工具。然而，随着rAAV作为治疗方法的更广泛应用，需求的增加为现有的生产方法带来了挑战。目前有七种基于rAAV的基因治疗产品获得了监管机构的批准，但人们仍然担心在人类中安全使用高剂量病毒疗法，包括免疫反应和不良反应，如基因毒性、肝毒性、血栓性微血管病变和神经毒性。在这篇综述中，我们探讨了AAV生物学，重点介绍了当前的载体工程策略和制造技术。我们讨论了rAAV在眼部、神经系统、代谢、血液学、神经肌肉和心血管疾病以及癌症的临床试验中的应用。我们概述了rAAV引发的免疫反应，处理了相关的副作用，并讨论了减轻这些反应的策略。我们希望讨论该领域的最新进展和当前挑战，能为研究人员和临床医生提供指导，帮助他们了解不断发展的基于rAAV的基因治疗领域。 1.引言 基因治疗代表了一种开创性的方法，用于解决遗传疾病，它采用非病毒或病毒载体在目标细胞内修改基因表达的一系列策略。一种常见的策略是基因替代疗法，将有缺陷基因的功能副本引入活细胞中。2017年，美国食品药品监督管理局（FDA）批准了首个基因治疗产品Luxturna，这是针对勒伯先天性黑蒙2型（LCA2）的基因替代疗法，这一策略达到了一个重要的里程碑。或者，基因沉默疗法旨在抑制或沉默目标基因，主要是通过RNA干扰。例如，Patisiran是一种小干扰RNA，用于治疗遗传性转甲状腺素淀粉样变性。另一种策略是基因组编辑，可以通过基于CRISPR的技术开发，允许直接修改体细胞基因组。正在开发可以执行RNA编辑的修改CRISPR系统。此外，基因表达可以通过DNA甲基化、组蛋白修饰和微小RNA调节来表观遗传地改变。这种方法具有可逆性和多功能性的优势，使其能够根据疾病进展和治疗反应进行调整。创新策略，如利用抑制tRNAs来实现过早终止密码子的读通，为挽救病理性无义突变并恢复基因功能提供了途径，这是在内源性调节下进行的。无论选择哪种策略，基因治疗都可以在体外或体内实施。体外基因治疗涉及提取患者细胞，对其进行基因修饰，然后将它们重新引入患者体内。相比之下，体内基因治疗直接将遗传物质传递到目标组织。到目前为止，共有14种体外和29种体内基因治疗获得了批准，主要是通过FDA（图1）。在这些批准的基因治疗中，有17种是非病毒基础的，而26种是病毒基础的。已经研究了各种病毒载体用于体内基因治疗，包括腺病毒（Ad）、逆转录病毒、慢病毒和单纯疱疹病毒（HSV）。腺相关病毒（AAV）载体已经成为临床试验和FDA批准应用的首选（图1）。这是因为它们具有广泛的组织嗜性、相对良好的安全概况以及多样化的制造过程。重要的是，AAV是非致病性的，很少整合到宿主基因组中，并且可以维持长期的转基因表达。此外，基于某些AAV血清型的载体天生能够高效地进入细胞和转基因表达，这增强了转导效率。 图1 获批的基因治疗产品和递送平台。基因治疗产品通常针对1) 体外基因治疗，受影响的患者细胞被分离，在细胞培养中进行遗传修饰、扩增、富集，然后重新输回患者体内，作为活性药物（例如，CAR-T细胞，Lyfgenia，Casgevy）；2) 体内基因治疗，直接给患者施用以实现治疗效果（例如，Gendicine，Kynamaro，Imlygic，Luxturna，Onpattro）。基因治疗药物的递送平台主要分为两组：病毒载体和非病毒载体。病毒载体基因治疗利用病毒作为基因递送载体，包括AAV、腺病毒、逆转录病毒、慢病毒和单纯疱疹病毒。非病毒载体基因治疗包括反义寡核苷酸、siRNA和基于细胞的CRISPR基因组编辑。CAR-T是嵌合抗原受体（CAR）T细胞治疗，SMA是脊髓性肌肉萎缩症，AADC是芳香族L-氨基酸脱羧酶缺乏症，DMD是杜氏肌营养不良症，LCA2是莱伯先天性黑蒙症2型，hATTR是遗传性转甲状腺素淀粉样变性。*表示非FDA批准的基因治疗。图表由Biorender.com创建。 最初在20世纪60年代中期作为Ad制剂的污染物被发现，野生型AAV（wtAAV）是一种非包膜病毒，包含一个带有两端倒置末端重复序列（ITRs）的单链DNA（ssDNA）基因组（图2）。AAV生物学的研究导致了成功克隆和测序wtAAV2基因组。在1990年代和2000年代，发现了具有不同组织嗜性的多种AAV血清型，从而引入了靶向基因传递方法的途径。研究报告称wtAAV基因组可以整合到宿主染色体中，促进稳定、长期的转基因表达。在2000年代，进行了工程AAV衣壳的工作，以增强组织特异性和转导效率，以及提高重组AAV（rAAV）的安全性。这已经推进了基于rAAV的临床试验的成功，特别是对于单基因罕见疾病，导致rAAV基因治疗产品的监管批准。同时，开发了各种方法来扩大rAAV制造，引起了对基于rAAV的基因治疗的兴趣。最近，CRISPR技术的出现彻底改变了基因治疗的格局，通过rAAV将精确的基因编辑传递到细胞中。基于rAAV的基因治疗因其独特的属性而成为一种潜在的治疗方法，可以治愈以前无法治疗的遗传疾病，包括其小尺寸、非致病性、多功能组织嗜性、稳定的转基因表达、复制无能、可工程化的衣壳以及适应多种有效载荷传递的多功能性。尽管取得了一些早期成功，但许多问题和挑战限制了其广泛应用，特别是对于复杂疾病。这些问题包括有限的货物容量、对高系统剂量的免疫反应、潜在的基因毒性、实现组织特异性的挑战以及制造复杂性。在这里，我们描述了rAAV基因治疗的基础AAV生物学和工程，讨论了AAV载体学的关键原则和当前的制造方法，并概述了rAAV基因治疗的临床应用和挑战，用于治疗广泛的人类疾病。最后，我们确定了我们当前理解中的空白，提出了解决持续挑战的潜在解决方案，并概述了这个快速发展领域的未来方向。 图2 AAV生物学研究和基因治疗发展的历史里程碑。数十年对AAV生物学的研究带来了对其结构、生物学、载体学和基因治疗应用理解的关键进展。AAV研究和发展的历史里程碑按时间顺序总结如下。这些进展为成功的临床试验和监管批准rAAV基因治疗药物铺平了道路，以治疗各种人类疾病。图表由Biorender.com创建。 2.AAV生物学和载体工程 2.1.作为自然病毒的AAV 结构和基因组。AAV具有由60-mer亚基组成的二十面体衣壳和由每个末端145 bp T形ITRs包围的4.7 kb ssDNA基因组。衣壳由病毒蛋白（VPs）VP1、VP2和VP3以1:1:10的比例组装而成。VP3由保守的β-链组成，这些链通过表面暴露的可变环连接。这些结构塑造了AAV表面形态，并决定了AAV血清型特异性功能。AAV衣壳在每个五倍轴上有一个带有孔状开口的通道，三倍轴周围有突出物，二倍轴上有一个凹陷。 wtAAV基因组包含两个主要的开放阅读框，编码四个非结构复制基因（Rep）和三个结构衣壳基因（Cap），以及一个参与衣壳组装的组装激活蛋白的ORF。此外，编码在Cap基因内不同阅读框内的膜相关附属蛋白（MAAP）的功能仍然不清楚。ITRs主要作为病毒复制的起点，并提供包装信号。 血清学调查和非致病性。不同的wtAAV血清型以VPs和ITRs的变化为特征，主要从人类和非人灵长类动物（NHPs）中分离出来。人类血清学调查表明，相当比例的人群对多种AAV血清型具有中和抗体（NAbs）。一项对888名健康志愿者的人类血清样本的研究发现，对AAV2的NAbs最普遍，其次是AAV1、AAV7和AAV8。另一项研究显示，对血清中除AAV2外的其他血清型的NAbs最普遍的是AAV1（74.9%）、AAV6（70.1%）、AAV5（63.9%）、AAV8（60.4%）和AAV9（57.8%）。 作为Parvoviridae家族中的Dependoparvovirus，野生型AAV需要来自辅助病毒（如Ad或HSV）的必需基因来促进其基因组的复制和转录，包括Ad E1、E2a、E4和VA RNA基因。因此，野生型AAV不能独立复制并产生新的病毒颗粒，但可以通过作为环状单体或串联体的染色体外DNA在宿主细胞中建立潜伏感染。值得注意的是，在体外感染中，大约0.1%的野生型AAV2基因组整合到19号染色体长臂上一个特定区域（19q13-qter），称为AAVS1位点。尽管AAV被认为是非致病性的，但最近的研究报道AAV2与全球儿童中未解释的急性肝炎有关。没有直接证据表明AAV2如何引发肝炎的机制，但有建议认为对AAV2的异常免疫反应可能会介导肝毒性。然而，这些研究承认COVID-19感染可能是一个促成因素，并报告称大多数急性肝炎病例在没有长期免疫抑制的情况下得到解决。 2.2.作为基因治疗的传递载体 载体学和组织嗜性。自然存在的野生型AAV正在迅速进化，产生了作为病毒“类群”的广泛基因组多样性。在过去的二十年中，至少从Ad库存、人类/NHP组织和其他哺乳动物或非哺乳动物物种中鉴定出12种AAV血清型和1000多个变体。这些血清型对各种细胞或组织有不同的偏好，这被称为嗜性（表1）。AAV血清型之间的基因组差异主要发现在病毒衣壳序列的可变区域，特别是VP3，这在决定嗜性中起着至关重要的作用。然而，许多其他过程和与宿主蛋白的相互作用可能会影响嗜性，包括细胞表面受体、细胞内摄取、细胞内转运、核输入、病毒脱壳、第二链DNA合成以及基因组环化和串联化。 野生型AAV2基因组最初在1980年代被克隆，作为rAAV的模板。rAAV具有与野生型AAV相同的衣壳序列和结构，但不包含任何野生型AAV蛋白编码序列，而是包含在4.7 kb包装能力内的治疗效果基因表达盒。rAAV基因组中唯一的病毒元素是ITRs。rAAV主要由瞬时转染的HEK293细胞中转补Rep/Cap和Ad辅助基因生产。具有AAV2 ITRs的rAAV基因组可以与不同AAV血清型的衣壳进行转包装，以改变其转导特性。转导途径。尽管对野生型AAV生物学的理解有所提高，但rAAV与细胞表面相互作用并将转基因传递到宿主细胞核的机制仍然知之甚少。越来越多的研究表明，病毒衣壳最初通过主要受体（如糖苷、糖蛋白或唾液酸）粘附到细胞表面，然后与共受体蛋白相互作用。例如，rAAV2与硫酸肝素蛋白多糖（HSPG）结合，rAAV1、rAAV4和rAAV5主要与唾液酸相互作用，rAAV9与N-连接的半乳糖相互作用。衣壳上不同的结合位点被认为决定了其嗜性，因此正在努力在这些位点上工程化AAV变体，以增强特定细胞或组织的转导能力。最近的全基因组筛选研究发现了新的宿主蛋白促进rAAV转导，包括被指定为AAV受体（AAVR）的I型跨膜蛋白KIAA0319L。另一个普遍存在的宿主蛋白，G蛋白偶联受体108（GPR108），在几种rAAV血清型的转导中起作用。尽管在体内敲除AAVR和GPR108会减少转导，但细胞表面结合在很大程度上不受影响，这表明这些宿主蛋白主要有助于附着后的转导过程。 在与细胞表面结合后，rAAV通过内吞作用内化，其机制可能因细胞类型和rAAV血清型而异。内吞体内的rAAV颗粒经历pH依赖的构象变化，然后通过跨高尔基网络转运。rAAV颗粒从内吞体和跨高尔基网络中逸出，然后通过核孔复合体进入细胞核。一旦病毒颗粒进入细胞核，ssDNA基因组被释放并通过称为第二链合成的过程转化为双链DNA（dsDNA）。从基因组3′端的自引导ITR开始启动转录。通过突变内部ITR基序可以将基因组制成dsDNA结构，这允许与单链rAAV（ssAAV）基因组相比，更快的复制和增强的转导。然而，这种自互补AAV（scAAV）基因组设计将包装能力减半。dsDNA基因组随后经历环化和串联化，稳定载体基因组，使其在有丝分裂后细胞中以染色体外方式持续存在。值得注意的是，ITR序列也可以作为重组元件，促进载体基因组重组。rAAV转导途径涉及多个细胞事件，可能在任何步骤失败或被宿主破坏，削弱或阻止转导。因此，充分理解这一途径将有助于识别影响rAAV转导效率的其他关键宿主因素。 2.3.rAAV工程 rAAV衣壳序列和基因组DNA货物，包括启动子、转基因、增强子和ITRs，都在进行深入研究。本节介绍几种工程策略，以修改rAAV以获得更好的转导效率和组织特异性。衣壳工程用于转基因传递。衣壳工程是为不同临床应用开发rAAV的主要策略。它主要包括三种方法：分离自然发生的AAV变体、合理设计和定向进化（图3）。最近，使用生物信息预测和机器学习（ML）的基于计算机的方法已成为协助衣壳工程的新工具（图3）。自然发生的AAV变体：在AAV开发的早期，人体组织是发现新AAV的关键来源。从1965年到2004年，只有有限数量的AAV主要来自人类临床样本，随后被载体化并进行测试。AAV9最初在人类肝脏组织中被发现，但它具有强烈的大脑嗜性，因为它能够穿过血脑屏障（BBB），使其成为中枢神经系统（CNS）转导的常见选择。AAV7和AAV8是从恒河猴的心脏和淋巴结中分离出来的，表现出在骨骼肌和肝脏中的卓越嗜性。研究表明，40-80%的人对已知野生型AAV血清型有抗体，这突出了发现更多血清学上不同的AAV的必要性。在人类和NHP以外的物种中筛选AAV血清型，以找到可以避免遇到针对人类AAV的预先存在的抗体的中和效应的衣壳，但这些在人类中的转导可能有限。因此，发现人类衍生的AAV变体并筛选具有增强转导和特定组织嗜性的候选物一直是一种常见的方法。AAVv66，一种通过长读序列从人类样本中分离出来的AAV2变体，与AAV2相比，显示出增强的生产和CNS转导。这些发现表明，自然变体可以为改善组织特异性转导提供有价值的工具。虽然只有少数团体继续评估自然衣壳变体作为基因治疗的潜在载体，但来自自然AAV的rAAV仍然是当前临床研究中的主导选择。 图3 开发新型AAV变体的策略。a 可以从人类和非人灵长类动物（NHP）组织中通过高循环PCR和高通量测序分离出自然发生的AAV变体。b 合理设计利用AAV生物学的知识来修改AAV衣壳中的相关氨基酸，以增强转导能力或逃避免疫监视。c 定向进化是一种工程方法，用于开发具有指定特异性的新型AAV变体，包括随机或定义的肽段插入、衣壳重组、易错PCR和饱和突变。d 通过计算机方法利用已知的衣壳序列重建祖先AAV序列。机器学习被用来预测AAV基因组中特定序列与包装能力及组织嗜性之间的关系，通过使用大量用经过诱变的AAV基因组转导的样本数据集。图表由Biorender.com创建。 理性设计：理性设计方法试图基于对rAAV结构和生物学的理解，在rAAV衣壳的特定位点进行结构修改。通常采用三种关键方法：遗传突变、插入非病毒结构域以修改组织亲和力和化学修饰。 研究探索了rAAV转导效率中特定氨基酸残基的贡献，发现rAAV2衣壳上表面酪氨酸残基的磷酸化导致它们在核输入前降解。将这些残基修改为苯丙氨酸（Y444F/Y500F/Y730F）增加了中枢神经系统中的基因传递。虽然rAAV2不能通过玻璃体内注射转导光感受器，但包含特定残基替换（Y272F/Y444F/Y500F/Y730F/T491V）的变体实现了高达25%的光感受器细胞的转导。此外，改变表面暴露的残基可能实现组织去靶向，从而提高安全性。例如，在黑猩猩组织样本中发现的H527Y和R533S替换被引入rAAV9衣壳，导致在新生小鼠和一种致命的儿科白质营养不良小鼠模型中血管内注射后外周组织的转导减少。 另一种理性设计方法是将功能结构域插入rAAV衣壳的特定位点。一项研究插入了人类黄体生成激素受体（LH-R）的15-mer结合域，成功地通过LH-R以HSPG独立的方式转导卵巢癌细胞。通过将细胞穿透肽插入rAAV9衣壳，一项研究发现了两种变体，它们能够在系统给药后穿过血脑屏障，改善中枢神经系统的转导。rAAV诱导有效和长期转基因表达的主要障碍是宿主免疫反应。结构研究表明，rAAV衣壳上的NAbs识别位点可能是保守的。工程化的rAAV变体能够通过冷冻电镜（cryo-EM）图像的结构信息，逃避小鼠、NHP和人类血清中的NAbs。将rAAV衣壳与生物素-聚乙二醇（PEG）和N-乙酰半乳糖胺（GalNAc）结合可能有助于逃避NAbs，尽管这可能是以改变组织嗜性和降低转导效率为代价的。一项研究使用域交换产生了27个rAAV2和rAAV8的嵌合Cap，并证明rAAV8实现的肝脏嗜性与环IV域有关。此外，在AAVrh10的可变区域VIII中插入精氨酸-甘氨酸-天冬氨酸（RGD）整合素结合基序，改善了心脏特异性转导并减少了肝脏分布。 化学修饰而不改变rAAV衣壳的氨基酸组成为衣壳工程提供了一种有前景的方法。对表面氨基酸的微小修改可以改变受体结合亲和力，从而影响转导和嗜性。一项研究使用带有亲电琥珀酰亚胺丙酸功能团的PEG-N-羟基琥珀酰亚胺与rAAV2衣壳上的赖氨酸残基进行交联，以实现NAb逃避。糖基化的rAAV2发现与肝素和单克隆抗体A20的结合减少，导致肌肉中转基因表达显著提高。一项研究将针对骨骼肌特异性蛋白CACNG1的抗体共价结合到rAAV9衣壳的可变区域，导致工程化的衣壳能够在小鼠肌管中特异性表达转基因，与未结合的rAAV9相比，肝脏靶向减少。类似地，另一项研究工程化了一个rAAV9和rAAVrh74的杂交衣壳，可以特异性结合骨骼肌富集的受体整合素αVβ（AVB6）。一个产生的变体，LICA1，在人类肌管和小鼠杜氏肌营养不良症（DMD）模型的骨骼肌中具有显著增强的感染力。或者，可以通过基因密码扩展实现衣壳的化学修饰，这是一个多功能平台，可以在感兴趣的基因的特定位点将所需的非规范氨基酸（ncAAs）整合到蛋白质中。最近的一项研究使用这种方法通过工程化的正交原核tRNA/tRNA合成酶插入单个ncAAs，工程化了一类新型rAAV，称为Nε-AAVs。这些突变的Nε-AAVs成功地与功能分子结合。体内研究表明，与Nε-AAVs结合的功能分子导致异种移植动物模型中目标细胞的高度特异性摄取。另一项研究还表明，在AAV5衣壳的D374处整合ncAA导致在小鼠肺中特异性增强转导。尽管取得了这些进展，但理性设计方法受到我们对rAAV结构和生物学理解不完整的限制。 定向进化：定向进化是一种选择压力形式，用于分离具有优势属性的衣壳变体，例如增加的rAAV产量、增强的转导、免疫反应逃避或特定细胞/组织嗜性。一种定向进化策略涉及诱导随机、无偏的突变，并对衣壳施加病毒适应性的选择压力。这已经通过使用错误倾向PCR然后通过交错延伸过程来实现，以生成Cap突变体库的VP1-3，以识别具有改变对肝素亲和力的变体，用于免疫逃逸。此外，已经使用基于DNA重组的方法来生成多样化和广泛的随机嵌合体库，通过结合来自各种亲本AAV血清型的衣壳。这种技术导致了新变体的创建，这些变体在体外和体内都显示出广泛的细胞嗜性。对不同抗原足迹的饱和突变也用于工程化AAV8衍生的衣壳，以逃避NAbs并改善肝脏嗜性。 在AAV衣壳上表面泛化随机肽是定向进化的另一种方法。例如，基于Cre重组的AAV靶向进化（CREATE）系统允许将短肽附着到rAAV9衣壳上，以工程化其属性。CREATE被用来生成AAV-PHP.B，这是一种能够穿过血脑屏障在C57BL/6小鼠中转导中枢神经系统的AAV9变体。然而，后续研究表明，PHP.B衣壳的属性并未转化为其他小鼠品系或NHPs，这表明工程化衣壳和宿主因素之间存在复杂的相互作用，这些因素在不同物种之间可能有所不同。 随后，开发了一种名为TRACER（通过细胞类型特异性表达RNA重新定向AAV的嗜性）的新型rAAV进化平台。这个平台基于从动物组织中以细胞类型特异性方式表达的大量衣壳库中恢复病毒RNA，该衣壳库带有随机肽插入。在小鼠中使用肽库显示在rAAV9衣壳上的研究确定了十个领先的变体，与亲本rAAV9相比，在系统给药后大脑转导高达400倍。同一小组最近报告称，VCAP-102，一种TRACER工程化的rAAV9变体，在NHPs的不同大脑区域的转导比rAAV9增加了20-90倍。VCAP-102的迭代进化导致了衣壳变体，与BBB穿透性相比进一步改善了6-7倍。同样，TRACER开发的VCAP-100衍生物在NHPs中肝脏去靶向高达300倍，大脑转导比其亲本AAV5高出六倍。 利用体内转基因RNA表达（DELIVER）定向进化rAAV衣壳是另一种里程碑式的方法，这导致了在小鼠和NHPs中识别出高度功能性的肌肉嗜性衣壳。在小鼠和NHPs中肌肉嗜性变体衣壳序列的交叉比较中发现了一个常见的RGD基序。进一步的分析表明，目标细胞中表达的与RGD结合的整合素异二聚体与含有RGD基序的病毒变体有很强的相互作用。研究人员最近生成了一个嵌入RGD的7-mer肽库，插入衣壳的可变区域VIII，并鉴定了与基准衣壳相比，在骨骼肌转导中增强了20多倍的变体。 定向进化是一个强大的工具，用于生成和识别具有特定属性的变体，但这些属性并不总是在灵长类动物中跨物种转化。例如，AAV-PHP.B在小鼠中显示出增强的中枢神经系统转导，但在狨猴中与AAV9相比则没有，这表明在衣壳工程中需要跨物种进化。然而，一项研究通过多个物种顺序进化rAAV衣壳库，鉴定了rAAV.cc47作为一种强大的跨物种变体，与NHP大脑和心脏中的rAAV9相比，具有增强的转导能力。7m8是一种AAV2变体，通过7-mer插入强烈转导外层视网膜层，如光感受器和视网膜色素上皮（RPE）细胞，主要通过玻璃体内注射在小鼠中。使用ADVM-022（AAV.7m8-aflibercept）治疗糖尿病黄斑水肿（DME）的II期临床试验（NCT04418427）因在接受高剂量（6.0 × 1011 vector genomes (vgs)/eye）后16-36周内几名患者出现严重不良反应（包括难治性眼内压降低）而暂停，这强调了工程化衣壳领域的转化挑战。 基于计算机或基于机器学习（ML）的设计：计算机辅助rAAV工程代表了一种尖端方法，利用计算工具增强rAAV的设计和优化。研究探索了rAAV的多样性属性，从其进化谱系出发，并使用预测的祖先基因组重建来创建新的衣壳变体。两项类似的研究通过理性设计或采用定向进化计算建立了祖先衣壳库。这两项研究都产生了具有增加的热稳定性的衣壳变体，这是血清型身份的指标，并且具有临床应用所需的有前途的生物学属性。在这些变体中，Anc80L65,作为与内耳或眼睛相关疾病基因治疗的有前途的载体出现了。 ML在生物医学研究中广泛使用，包括医学图像分析、遗传学和药物发现。一项开创性的研究将ML应用于理解rAAV2衣壳。他们仔细研究了衣壳的适应性景观，描述了单密码子替换，并使用ML设计精确的多突变变体，基于它们对目标组织的影响。此外，深度学习已被用于多样化rAAV2衣壳变体，准确预测其活力。这种方法揭示了在衣壳之外工程化rAAV基因组的新可能性，这在未来rAAV开发中具有有前途的创新应用。 转基因表达的rAAV基因组顺式调控元件工程化。rAAV基因组由ITRs和由感兴趣基因和调控元件组成的转基因表达盒组成。工程化rAAV基因组的策略包括修改ITRs或内含子以及插入组织特异性启动子进行转录调控和/或使用可诱导表达系统、密码子优化和转基因cDNA的CpG基序减少以及microRNA（miRNA）介导的转录后调控重定向。每个组成部分都有其自身的功能，它们的单独和集体行动决定了转基因表达、细胞类型特异性、安全性和rAAV转导的持久性。 工程化rAAV ITRs：传统的rAAV携带单链载体基因组。其转导效率和速率取决于mRNA转录发生之前载体DNA的第二链合成，这是速率限制步骤。为了增加转导效率，采用了突变一个ITR的策略，产生带有双链载体基因组的scAAV。这允许scAAV绕过dsDNA合成的速率限制步骤，从而更快速、高效地转导目标细胞。然而，使用scAAV有明显的局限性：较小的包装能力（scAAV为2.5 kb，ssAAV为4.7 kb）和由于转基因产物快速积累而增加的免疫反应风险。 ITRs可以被改变，以选择性地限制包装载体基因组的正义或负义链。这是通过选择性地从两个侧翼ITRs中的一个中移除D序列来实现的。ITRs还包含CpG基序，可以向toll样受体（TLR）-9发出信号并诱导炎症反应。完全移除ITRs中的CpG对治疗动物中载体基因组拷贝数或转基因表达没有不利影响。然而，它导致rAAV滴度降低，并且它是否减少了对rAAV的炎症反应仍然不清楚。总体而言，ITRs自然容易发生突变，并且由于它们的回文性质、高GC含量和二级结构而可能异质。优化ITRs中的GC含量可能是一个潜在的工程化策略，最终改善rAAV属性。 优化启动子：转基因表达盒中的启动子被选择和优化以满足特定需求，如组织特异性和表达水平。巨细胞病毒（CMV）或鸡β-actin（CBA）启动子通常被使用，因为它们提供强大且广泛表达，而组织特异性启动子如CK8或MHCK7在肌肉中提供有针对性的基因表达。在目标组织内转基因表达的特异性对于实现低剂量下的足够转导效率并最小化非目标效应至关重要。例如，一项研究采用了携带内源性人类存活运动神经元1（SMN1）启动子的scAA9载体，以在神经元中特异性驱动SMN1表达。这种方法展示了显著的安全性概况，显著降低了肝脏毒性，并在患有脊髓性肌肉萎缩症（SMA）的SMNdelta7小鼠中增强了治疗效果。这一结果超过了Zolgensma（一种使用CMV/CBA启动子的FDA批准治疗）的性能，因此强调了组织特异性启动子的优势。 额外的调控元件如上游增强子可以被工程化以提高表达活性和特异性。许多增强子已被设计在临床基因治疗载体中，目标是增加转基因表达，从而减少病毒载荷。另一项研究报告称，小鼠甲基CpG结合蛋白2启动子片段在神经元中特别实现了强大的长期表达。基于ML的多组学数据允许设计组织特异性启动子，导致转基因活性在目标和非目标组织之间动态增加超过1000倍。 转基因表达调控：转录调控：感兴趣基因或蛋白的表达可以上调或下调，以优化和微调所需的效果。四环素诱导系统是一种广泛使用的策略，用于实现特定水平的表达，尽管由于潜在的免疫原性问题，它不太可能被转化为人类。或者，开发了一个系统，使用免疫抑制药物雷帕霉素激活由两个单独的rAAVs传递的响应性转录因子。这种策略随后被优化，现在只需要一个rAAV。这已被用于实现对雷帕霉素处理的可诱导剂量反应表达，以长期表达所需的转基因。重要的是，在没有给予雷帕霉素的情况下，转基因表达只有最小的，这表明这可能提供一个特定和安全的调控系统。 转录后调控：另一种策略是使用核糖开关，这是一种非编码RNA，能够结合特定代谢物并控制基因表达。核糖开关自然存在，配体介导的基因调控原理正被利用于工程化适体酶，以改善哺乳动物系统的调控范围。与其它调控系统相比，使用核糖开关具有与FDA批准的药物兼容、RNA尺寸小以及几乎没有免疫原性等优点。重要的是，核糖开关序列非常短，这与rAAV有限的包装能力相结合时尤其重要，使其成为调控rAAV基因治疗的强大系统。 非编码RNA是转基因调控中极具多功能性的工具，这一点通过将具有可切割聚腺苷酸信号（PAS）的RNA适体纳入转基因的5'-非翻译区（UTR）进一步得到强调。在没有小分子的情况下，PAS切割会导致mRNA降解，从而沉默转基因表达。添加小分子通过维持mRNA的完整性导致转基因表达，这可以与替代剪接相结合，以更精确地控制基因表达。 一些调控系统需要外源添加或共表达特定元素才能正确工作。利用药物诱导剪接作为基因表达调控机制的方法已被探索以减轻这一问题。这种方法涉及传递一个包含过早终止密码子的基因，以防止蛋白质的翻译。添加小分子剪接诱导剂有助于将一个特设计定的外显子包含到成熟转录本中，并排除终止密码子，从而实现感兴趣蛋白质的翻译。启动子的强度和小分子诱导剂的剂量允许精确激活目标基因的表达水平。然而，当前技术依赖于内在蛋白质周转机制来降低目标蛋白质水平。 翻译后调控：调节感兴趣蛋白质半衰期的一种策略是使用蛋白质降解系统（degron）。这允许对蛋白质移除和恢复进行可逆和快速响应。已在体外建立几种这些系统，但将其转化为体内系统的尝试发现了高水平的毒性。然而，优化已产生了更新的、有前景的体内应用系统，例如在感兴趣蛋白质上结合一个SMAsh标签。然后引入一种已经批准用于人类使用的小分子药物，以防止SMAsh标签的分离，从而导致蛋白质降解。结合可诱导表达系统、替代剪接策略和蛋白质降解方法，有可能实现对目标蛋白质表达水平的精细控制。 优化转基因（转录后水平）：表达盒工程中的一种常见方法涉及密码子优化，即使用计算机算法识别转基因中的罕见或次优密码子，并用首选密码子替换。研究已经证明，在小鼠模型中，密码子优化的转基因（如FVIII和人类囊性纤维化跨膜传导调节器（CFTR]）表达水平显著更高。此外，优化密码子的天冬氨酸酰化酶（ASPA）转基因（Canavan病的致病基因）显著恢复了ASPA蛋白表达，并在小鼠模型中挽救了致命疾病表型。虽然密码子优化是提高rAAV递送转基因表达的有效策略，但这种效果可能取决于特定的转基因和宿主生物。 密码子优化方法可能引入意外的免疫原性和毒性，以及损害其他特性，如嗜性。事实上，研究发现密码子优化将大量CpG基序引入基于rAAV8的FIX Padua基因治疗，用于血友病B患者，这可能导致先天免疫反应。开发了一种新型的基于递归神经网络的工具，用于优化特定细胞类型的密码子使用，使用来自小鼠心肌细胞、神经元和肝细胞的数据。这种方法提高了蛋白质表达并减少了CpG二核苷酸，为提高组织特异性基因治疗效率提供了希望。 修改其他顺式调控元件：可以在表达盒中修改其他顺式调控元件，以调整基因表达和特异性。例如，土拨鼠肝炎病毒转录后调控元件（WPRE）是一个约600 bp的RNA元素，通常添加在转基因下游。WPRE可以通过增加独立于转基因的转录mRNA数量，在体外和体内增加转基因表达。研究谨慎地报告了在小鼠中传递的慢病毒载体中WPRE的潜在致癌活性。然而，通过从原始WPRE中移除致癌序列，可以降低这种风险。 在转基因表达盒中包含一个内含子也可以改善动物中的基因表达。这一点得到了另一项研究的支持，该研究表明内含子在体内增加了40-100倍的转基因表达。然而，内含子对基因表达的影响可能是复杂的，并取决于多种因素，如内含子的大小和位置以及特定的目标细胞。选择合适的polyA信号对于优化转基因表达和稳定性至关重要（例如，β-珠蛋白、SV40或牛生长激素（BGH]）。比较研究发现，在小鼠大脑中，修改后的较短版本的SV40晚期polyA（135 bp）显示出与BGH polyA（223 bp）相当的转基因表达。此外，包含Kozak序列可以进一步增强转基因表达。 确保将转基因表达限制在目标组织对于避免毒性过表达和免疫毒性至关重要。rAAV设计采用细胞特异性启动子作为目标表达的主要策略，然后开发微调策略，如在3'-UTR中添加miRNA结合位点，以抑制在表达互补miRNA的细胞中表达。例如，据报道在rAAV9中添加miR-122结合位点可以实现中枢神经系统表达，同时重新靶向肝脏、心脏和骨骼肌。当rAAV携带外来转基因或在内源副本中具有空突变的患者中编码替代基因时，转基因产物可能被抗原呈递细胞（APCs）视为非自身抗原，然后APCs处理转基因以进行主要组织相容性复合体（MHC）呈递和免疫清除。减轻转基因免疫的一种策略是在rAAV的表达盒中结合APC特异性miRNA结合位点，如miR-142和miR-652，以从APCs中去靶向转基因表达。结果显示，在小鼠中转基因特异性免疫反应减少，并在目标细胞中持续转基因表达。这种策略已在NHPs中转化，其中通过rAAV传递后，广泛针对人类免疫缺陷病毒的NAbs得到持久表达，从而突出了这种策略在临床转化中的潜力。 扩大rAAV包装能力。rAAV应用中的另一个重大挑战是递送超过其4.7 kb包装能力的转基因。例如，治疗性转基因如Leber先天性黑蒙10型的中心体蛋白（CEP290）（约7.5 kb），或基于CRISPR的工具如胞嘧啶碱基编辑器或主要编辑器2（>5 kb）。出现了各种策略来克服这一障碍，通过将大转基因分成两部分，每部分都封装在rAAV衣壳中。这些分割的转基因在同一细胞中共引入，导致全长转基因和蛋白质的重构。这种重构可以在遗传信息流的不同阶段发生。在DNA水平上，通过rAAV ITRs、部分转基因序列或优化的重组元件在两个rAAV基因组中存在，促进了载体间DNA重组。重叠序列可以通过特别设计的剪接信号在转录后切除，产生成熟的全长mRNA，然后翻译成所需的蛋白质。在RNA水平上，通过每个转录本中存在的剪接供体和受体介导的两个转录本之间的跨剪接，产生全长转录本和蛋白质。在蛋白质水平上，通过分裂内含子实现了蛋白质重构，内含子是能够切除自身并将附近的蛋白质片段连接起来的天然多肽。 3.rAAV生产 3.1.方法论 rAAV的临床应用突显了对生产和纯化系统迫切需求，这些系统能够生产大量且高质量的rAAV，以满足安全、有效、稳定和成本要求（每次治疗1.0 ×1015– 1.0 ×1016 vgs）。由于rAAV无法通过再感染自我复制，其生产需要同时表达辅助病毒基因和rAAV特异性Rep和Cap基因，以复制和包装ITR-环绕的载体基因组。主要有两种策略开发了rAAV生产方法：瞬时转染和病毒感染。基于转染的rAAV生产中，向HEK293细胞共转染质粒是最广泛使用的系统，由Xiao等人首次开创。29 通过病毒感染的rAAV生产涉及使用三种不同的病毒，包括AAV的自然辅助病毒、Ad和HSV，以及使用杆状病毒。rAAV生产还涉及哺乳动物细胞（例如，HeLa、A549和HEK293）或昆虫细胞（例如，Spodoptera frugiperda，Sf9）（图4）。新开发的四环素激活自沉默Ad（TESSA）代表了另一种基于感染的系统，用于在HEK293细胞中大规模、高产率生产rAAV。这些方法在灵活性、质量和可扩展性方面都有其独特的优点和缺点，下面将更详细地讨论。为了纯化各种方法生产的rAAV，使用铯氯或碘克沙醇梯度超速离心的梯度沉淀是小规模rAAV准备常用的通用程序。对于大规模载体生产，尤其是对质量更高、数量更多的临床级载体，需要亲和性和/或离子交换柱色谱。最后，正在积极开发稳定的包装和生产细胞系作为下一代rAAV生产平台，因为它们可以轻松扩展大规模生产，成本更低。 在HEK293细胞中瞬时转染。传统的rAAV生产涉及将携带载体基因组、AAV Rep/Cap基因和Ad辅助基因（VA RNA、E2A和E4OEF6）的三个质粒，通常以等摩尔比共转染到HEK293细胞中。另一个基本的Ad辅助基因E1a/b在HEK293细胞中固有表达。这种三重转染协议随后被优化为双质粒共转染系统，涉及一个质粒用于rAAV基因组，另一个用于Rep/Cap和Ad辅助基因。当前方法可以实现大约80%的细胞转染率，转染后48-72小时病毒产量达到峰值。 病毒载体生产中存在许多挑战，导致批次间质量、滴度和纯度不一致，并且这个过程非常劳动密集。最近的研究集中在质粒水平上修改标准生产工艺，以提高产量和纯度，降低成本。一项值得注意的最近研究表明，低共转染三重转染（1%或10%共质粒）显著减少了转基因质粒的使用，与标准三重转染（100%共质粒）相比，并提高了体内转导效率。重要的是，这种方法使得抑制产量的转基因包装，并减少了小共rAAV制剂和小鼠组织中的质粒骨架污染。其他人开发了一种名为AAVone的新全合一rAAV生产系统，将Rep/Cap和Ad辅助基因与rAAV基因组结合到一个单一质粒中。AAVone的产量高于三重转染方法，批次间变化较小，复制能力AAV（rcAAV）水平降低。它还需要较少的质粒DNA，并消除了比例优化步骤的需要。 瞬时转染方法具有灵活性，可以轻松快速地生产具有不同转基因和衣壳的rAAV。它在一定程度上是可扩展的，当使用悬浮细胞时，可以通过增加培养体积简单地增加产量。此外，瞬时转染方法灵活多变，不需要建立和维护特定载体产品的稳定生产细胞系的耗时过程。这有助于从载体设计到生产的更快周转时间。值得注意的是，这种方法受到可扩展性有限和成本高的困扰。 杆状病毒生产系统。第一个上市的rAAV基因治疗产品（uniQure的Glybera， alipogene tiparvovec；现已退出市场）实际上使用了杆状病毒表达载体系统（BEVS），其中编码Rep和Cap基因的杆状病毒感染昆虫细胞，如Sf9，以生产rAAV。这个系统最初针对大规模蛋白质生产进行了优化，但已经取得了显著进展，以适应rAAV生产。第一代BEVS涉及将Rep基因分割成两个由不同启动子控制的盒式磁带，并修改Cap基因以包含非典型起始密码子（ACG而不是AUG）。这些遗传改变的AAV病毒序列被合并到三个单独的杆状病毒构建中，需要在同一细胞中同时超感染所有三个。然而，这种方法最初成功用于rAAV1生产，但对其他rAAV血清型的产量要少得多。第二代BEVS适用于其他rAAV血清型，并减少了杆状病毒的数量至两个，一个携带Rep/Cap基因（Bac-CapRep），另一个携带rAAV基因组（Bac-Transgene）。随后，在BEVS中引入了减弱的Kozak序列和泄漏性核糖体扫描，以确保适当的AAV基因表达，从而产生生物学效力显著提高的rAAV。 BEVS的一个缺点是杆状病毒的遗传不稳定性。杆状病毒在复制过程中自然去除其基因组的部分，从而产生突变病毒，其中一些可能成为有缺陷的干扰颗粒。在细胞培养的放大过程中，这些突变体可能在竞争中胜过具有完整基因组的杆状病毒，从而可能降低rAAV产量。然而，通过删除特定基因或将转基因插入杆状病毒基因组中的稳定位点，可以潜在地改善杆状病毒的遗传不稳定性。此外，BEVS本身无法将衣壳蛋白组装成AAV病毒，VP1、VP2和VP3的比例为1:1:10，导致产生的rAAVs转导效力降低。一项研究表明，在rAAV序列中插入人工内含子，例如使用杆状病毒多角体启动子的那些，可以产生高滴度的各种血清型感染性rAAV，最高可达1.0 × 1014 vgs/L。此外，一项研究系统比较了BEVS生产的rAAV（Sf9-rAAV）与瞬时转染生产的rAAV（HEK-rAAV）使用大规模悬浮培养，发现Sf9-rAAV可能因其优越的产量、满/空比率、可扩展性和成本效益而受到青睐。然而，需要进一步研究杆状病毒的遗传学和生物学，以便利用BEVS平台的优势（图4），例如其高可扩展性。 图4 目前rAAV的生产方法。目前，有两种主要平台用于rAAV生产：转染和病毒感染的方法。对HEK293细胞进行质粒瞬时转染仍然是最广泛使用的方法，而稳定细胞系、杆状病毒（BV）系统和I型单纯疱疹病毒（HSV）系统为大规模生产提供了可扩展的替代方案。已经开发出无需转染的辅助病毒系统TESSA来生产高产量的rAAV。药物诱导型全能细胞系可能代表下一代rAAV基因治疗药物的最佳生产平台。BHK为小鼠胚肾细胞。图表由Biorender.com创建。 哺乳动物稳定细胞系和Ad-AAV杂交用于rAAV生产。用于载体生产的稳定细胞系提供了显著的优势，包括易于产品特性、可扩展性以及能够以提高的重复性和降低的成本产生更高产量。有两种类型的稳定细胞系用于基于Ad感染的rAAV生产：包装和生产细胞系。包装细胞系稳定整合了AAV Rep/Cap基因。使用包装细胞系生产rAAV的一个主要挑战是，细胞首先需要被AAV的自然辅助病毒，野生型Ad感染，以启动内源性Rep/Cap表达，然后二次感染Ad-AAV杂交病毒，从中rAAV基因组将被挽救、复制和包装。相比之下，生产细胞系在宿主基因组中稳定整合了Rep/Cap和Ad辅助基因以及rAAV基因组。在这种情况下，野生型Ad的感染将激活Rep/Cap基因表达，促进rAAV基因组的挽救、复制和包装。源自A549和HEK293细胞的稳定细胞系已适应悬浮培养，用于可扩展的rAAV生产。 几种基于HeLa的细胞系，如C12、H44和B50，通过内源性表达Rep/Cap产生了高滴度的传染性和无rcAAV的rAAV。还报道了表达Rep/Cap的A549衍生稳定细胞系和K209细胞系，每细胞产生高产量的传染性rAAV。 稳定细胞系和基于Ad感染的rAAV生产系统存在几个缺点。首先，创建稳定细胞系通常是一个复杂、耗时、血清型和载体基因组特异性的过程。第二，确保这些细胞系的特性和稳定性可能具有挑战性，与传递历史对生长动力学的影响相关的潜在风险。此外，为确保最终基因治疗产品的安全性，必须进行强大的下游纯化程序，以消除任何致病性Ad污染物和致癌HeLa DNA。 用于rAAV生产的重组单纯疱疹病毒（rHSV）系统。rHSV是另一种能够为rAAV生产提供辅助功能的天然辅助病毒。为了使用rHSV系统生产rAAV，创建了两个不同的携带AAV Rep/Cap基因和rAAV基因组的rHSV，用于顺序感染HEK293或仓鼠肾细胞，然后进行下游处理和纯化。第一个使用rAAV1治疗α1-抗胰蛋白酶缺乏症的临床试验是使用rHSV生产的。 使用基于rHSV的系统进行rAAV生产的主要缺点包括产生足够数量的rHSV颗粒，以及需要专门的纯化步骤，以有效消除神经营养性和神经毒性rHSVs和其他与最终rAAV制剂相关的污染物。 四环素激活自沉默腺病毒（TESSA）系统。典型的rAAV生产方法涉及无辅助质粒转染或使用辅助病毒。然而，无辅助系统在放大时面临挑战，辅助病毒方法需要更强大的下游处理和纯化，以消除污染性辅助病毒和高度免疫原性VPs。最近的创新引入了一种辅助Ad，设计用来抑制其主要晚期启动子（MLP），从而限制其复制，并有效克服这些限制。这是通过在MLP中引入诱导型四环素抑制剂结合位点来实现的。这种修改后的Ad在存在多西环素时正常运作，但在没有多西环素的情况下限制在基因组扩增和早期基因表达（称为辅助功能）上。通过利用这种自调节Ad，研究人员成功地促进了必需的腺病毒辅助功能、Rep/Cap基因和rAAV基因组的传递，显著提高了rAAV产量，几乎完全消除了污染性Ad。以前，多次尝试在HEK293细胞中产生在基因上稳定的表达AAV Rep基因的重组Ad均失败，因为即使在非常低水平的泄漏表达下，Rep蛋白也具有细胞毒性和重组性。然而，TESSA系统严格调节Rep基因的表达，仅在rAAV基因组挽救、复制和包装过程中激活其表达，这是一个重大突破。该系统提高了HEK293和U87细胞中各种rAAV血清型的生产，包括rAAV2、rAAV6、rAAV8和rAAV9。 此外，该系统可以放大到生产rAAV2和rAAV6，与瞬时转染方法相比，载体产量显著提高。 3.1.1.下一代制造平台技术 选择使用哪种生产系统涉及平衡灵活性、可扩展性和质量，所有这些都在开发安全有效的rAAV产品中发挥着至关重要的作用，以满足临床应用的需求、安全性和有效性要求。为了进一步提高瞬时转染方法，至关重要的是在生产和纯化过程中优化多个因素，以增加产量并减少空rAAV。最小化空载体增强了载体效力，允许使用较低的注射剂量，从而减少免疫毒性。正在进行的努力是为了优化rAAV生产的上游过程，以提高rAAV产量。例如，通过将共质粒比例调整为1%或10%，可以实现与传统三重转染相当的rAAV产量。这种方法使得以前无法包装的转基因得以包装，同时还减少了骨架质粒污染，并被证明是一种成本效益策略。 使用三重转染的机制建模研究已经确定了rAAV生产的几个关键瓶颈，包括质粒传递到细胞核的效率不高，以及衣壳合成和病毒基因组复制的时间协调不佳导致空衣壳。解决这些问题的策略包括确保病毒DNA复制发生在衣壳生产之前或与之并行，例如早期表达Rep蛋白或晚期表达Cap蛋白。 还做出了努力，以识别可以促进rAAV生产的小分子化学添加剂。已经组装了一个包含超过130种小分子的库，以瞬时拮抗广泛的细胞先天抗病毒途径，有效地增加大规模病毒生产。基于咪唑的小分子已被证明可以通过多个信号传导途径改善大规模rAAV生产。 修改宿主因子也会影响生产。通过全基因组筛选策略，研究发现了几个增益或丧失功能靶标，这些靶标可以显著影响rAAV生产。的确，对宿主细胞对瞬时质粒转染的转录反应的系统分析揭示了宿主细胞积极感知rAAV生产作为一种感染性侮辱，并上调炎症和抗病毒反应。 为了减少空AAV颗粒，一项研究创建了一个来自不同AAV血清型的混合Rep基因，与AAV2 Rep基因的3'端，导致非AAV2血清型的完整衣壳增加了2-4倍，表明增强Rep功能可能会提高rAAV生产。 优化下游纯化过程的努力也导致了在去除空衣壳方面的改进。该行业已经从超速离心转向基于柱的色谱法，以有效纯化大规模生产中的rAAV颗粒。阴离子交换色谱法已成为该领域的一个主要焦点，修改各种过程参数，包括pH值、各种洗脱盐、辅料、表面活性剂、稳定剂和渗透剂，以提高纯化效率。 未来的制造方法应该优先考虑最大的灵活性、可扩展性和质量，同时消除对质粒转染、病毒感染和化学诱导的需求。许多努力都指向创建一个稳定且可诱导的生产细胞系，这些细胞系具有这些基本特征。一个值得注意的研究通过将所有rAAV生产所需的组成部分整合到HEK293细胞中，包括rAAV基因组、Rep/Cap基因和辅助编码序列，这些序列由多个可诱导启动子复杂控制。产生的合成细胞系在诱导后产生传染性rAAV。这种全合一生产细胞系方法允许独立控制复制和包装活动，确保高质量的rAAV生产。随后的工作进一步优化了这个生产细胞系，通过减少感兴趣基因的过度表达、优化诱导曲线和通过蛋白酶体抑制剂减轻衣壳蛋白的蛋白酶体降解来提高生产力。对于大规模载体生产，另一个用于生成稳定且可诱导的生产细胞系的两步平台已经开发出来。最初，基于专有CAP人类细胞系或悬浮HEK293细胞创建一个α细胞系，这些细胞系稳定整合了Rep和辅助基因。其次是整合Cap基因和感兴趣基因，产生多克隆生产池，然后进行单细胞克隆过程、克隆筛选和选择表现最好的克隆。在这个系统中，通过多西环素诱导rAAV生产。在一个概念验证细胞系中，使用灌注生物处理法进行rAAV8-GFP生产，每个细胞的rAAV产量提高了8倍，与常规批处理过程相比，完整颗粒的产量显著增加（30-40%）。 增强载体基因组完整性是提高载体效力的另一种策略。一项使用长读序列平台和生物信息学管道的研究从scAAV制剂中识别出不同的载体基因组群体。结果表明，载体基因组设计中固有的强大DNA二级结构可能导致显著的截断，影响生产和载体效力。另一项研究报告了截断基因组的存在，以及一种独特的基因组物种，起源于一个可切割的ITR，它包含一小部分有效载荷和与质粒骨架连接的嵌合序列。这种异质性也观察到在带有尾对尾配置的双单导向RNA表达盒的载体基因组设计中。有趣的是，同一组发现人类和昆虫细胞产生的rAAV在基因组异质性方面存在显著差异。这些发现强调了迫切需要审查载体基因组设计和异质性生成，以有效生产高度有效的rAAV制剂，特别是临床载体。 4.基因治疗效力和临床应用 4.1.rAAV基因治疗的当前临床试验概述 在过去几十年中，rAAV在临床应用方面取得了显著发展，突显了其在治疗各种遗传和获得性疾病方面的潜力。事实上，在FDA批准Luxturna后的相对较短的时间内，又有五种rAAV基因治疗产品上市（图1）。尽管基于rAAV的疗法在一些临床试验中显示出令人印象深刻的结果，但许多方面需要进一步研究，包括载体免疫原性、剂量优化和长期安全性。尽管对于大多数单基因疾病来说，满足高产量生产挑战可能不是当务之急，但随着更多的rAAV基因治疗被开发用于治疗慢性普遍人类疾病，大规模生产rAAV可能成为瓶颈。此外，基因治疗的监管框架正在快速变化。在本节中，我们将探讨rAAV在主要人类疾病（图5）的临床应用中的最新进展，包括眼部、神经系统、代谢、血液学、神经肌肉、心血管和肿瘤疾病。补充表1中提供了238项基于rAAV的基因治疗临床试验的总结。 图5 rAAV在主要人类疾病中的当前临床应用。rAAV在一系列重大人类疾病中的临床应用，包括眼科、神经系统、代谢、血液学、神经肌肉、心血管疾病和肿瘤学。有关使用rAAV基因治疗的238项临床试验的完整列表，请参考补充表1。图表由Biorender.com创建。 眼部疾病。由于几个原因，眼部疾病是rAAV基因治疗的最前沿。眼睛的免疫特权地位减少了对rAAV的免疫反应。它的小体积需要低rAAV剂量。许多眼部疾病是单基因的，使它们适合基因治疗。此外，眼睛的相对容易接近允许各种rAAV给药途径。在这里，我们强调几种基于rAAV的眼部基因治疗，专注于治疗单基因和获得性眼部疾病。 Leber先天性黑蒙2型（LCA2）：Voretigene neparvovec-rzyl（Luxturna）是一种治疗LCA2的基因治疗，LCA2是由RPE65突变引起的一种罕见的遗传性视网膜疾病（IRD）。这种治疗传递了一个功能性的RPE65基因副本，纠正了RPE细胞的缺陷，这些细胞对视力至关重要。在一项具有里程碑意义的III期临床试验中，29名确认有双等位基因RPE65突变的LCA患者随机接受Luxturna或无治疗作为对照组，随后进行多亮度移动测试，通过要求参与者在特定光照水平下导航障碍课程来测量视觉功能。结果表明，与对照组（平均0.2光级）相比，Luxturna显著改善了功能性视力（平均1.8光级）在一年内。此外，全视场敏感度阈值测试显示，干预组在第30天的改善超过100倍，这一改善在一年内得以维持。这种有益的改善在随后的随访研究中持续了3-4年。由于在这项III期试验中观察到的有利结果，Luxturna于2017年获得FDA批准，用于治疗双等位基因RPE65缺乏相关视网膜疾病，作为第一种遗传病基因治疗。 视网膜色素变性（RP）：鉴于RP病因突变的异质性，已经对这种常见的IRD应用了各种基因治疗策略。MERTK的丧失，这是一个控制RPE中吞噬作用的信号通路中的关键组成部分，导致光感受器退化，最终导致RP。这种疾病表型是常染色体隐性的，占RP病例的约3%。一项I期临床试验评估了6名MERTK相关RP患者接受rAAV2-VMD2-hMERTK玻璃体注射。虽然三名患者显示出视力改善，但在两年内只有一个患者观察到持续的视力增益，这表明需要长期调查。 视网膜色素变性GTPase调节蛋白（RPGR）基因突变是X连锁视网膜色素变性（XLRP）的常见原因，主要影响男性。这是RP最严重的形式，其特点是由于光感受器和RPE细胞功能障碍而逐渐失去视力。已经进行了三项临床试验，以评估基于rAAV的基因治疗对RPGR突变患者的安全性和有效性。其中一项试验的早期结果令人鼓舞，一些患者在接受治疗后显示出视觉功能改善和视网膜结构稳定性。对XLRP的基因治疗临床试验（XIRIUS）和自然病史研究（XOLARIS）的事后分析显示，接受最高剂量的cotretigene toliparvovec（BIIB112/rAAV8-RPGR）的四名参与者在第12个月的视网膜敏感性和低亮度视力有早期改善。然而，在一项II/III期研究中，这种基因治疗没有达到治疗眼的光敏感性统计学显著改善的主要终点。 大约15%的RP病例是由常染色体显性增益功能视紫红质（RHO）突变引起的。基因沉默或敲除策略可以用于这种类型的突变。在NHPs中进行了一项临床前研究，使用EDIT-103,这是一种研究性基因治疗产品，包含两个rAAV5载体，通过CRISPR/Cas9去除内源性RHO，并插入一个对目标Cas9切割有抗性的密码子优化RHO表达盒，以恢复功能性RHO表达。早期结果已经显示出在RHO表达和视觉功能方面的令人鼓舞的改善。然而，其在人类中的效力尚未评估。 除了基因替代或编辑方法外，还研究了其他创新策略，如光遗传学，用于独立于遗传突变治疗RP。光遗传学使用光来操纵带有光敏蛋白的基因修饰细胞。一项IIb期临床试验的初步评估得出结论，对于RP患者，通过玻璃体内注射MCO-010（一种在rAAV2中编码的多特征视蛋白，专门针对ON视网膜双极细胞），可以改善视力，没有严重的眼部或系统性不良事件。 年龄相关性黄斑变性（AMD）：AMD是发达国家致盲的最常见原因。它是一种进行性视网膜疾病，以晚期的地理萎缩和新生血管为特征。治疗的主要目标是针对血管内皮生长因子（VEGF），这是参与新生血管病理生理的主要血管生成因子。虽然抗VEGF治疗已被证明在减轻疾病进展和改善一些患者的视力方面是有效的，但它们需要每月注射，因此治疗负担重，同时对很大一部分患者来说并不成功。基因治疗能够长期、内源性地生产治疗蛋白，解决了抗VEGF药物的许多限制，如其短半衰期。因此，越来越多的临床试验使用rAAV传递基因，用于治疗地理萎缩和新生血管AMD。 GT005（Gyroscope）是一种基于rAAV2的一次性基因治疗产品，通过玻璃体注射传递，用于治疗由AMD引起的地理萎缩。GT005旨在通过增加补体因子I（CFI）蛋白的表达，减轻老年视网膜中过度反应的补体系统引起的视网膜退化，这是一种基因添加策略，以减少炎症并缓解视网膜细胞的退化。EXPLORE和HORIZON是两项II期、多中心、随机和对照（治疗与未治疗患者）试验，评估GT005在两组不同地理萎缩患者中的安全性和有效性（EXPLORE：由AMD引起的地理萎缩和由于CFI变体导致CFI表达低的患者；HORIZON：仅有由AMD引起的地理萎缩的患者）。中期数据显示，治疗实现了玻璃体CFI水平的持续增加和CFI下游蛋白的减少。治疗效果局限于眼睛，没有观察到CFI水平的系统性增加。然而，赞助商最近停止了GT005的进一步开发，因为已经满足了无效标准。 sFlt-1是一种由Flt-1（VEGF受体-1）的第2域与人类免疫球蛋白G1重链Fc片段偶联的嵌合VEGF抑制蛋白。使用编码sFlt-1的rAAV2进行新生血管AMD的基因治疗已通过玻璃体和视网膜下给药进行研究。在I期临床试验中，通过玻璃体内注射rAAV2-sFlt-1被报告是安全且耐受性良好的，而sFlt-1的表达水平和治疗效果是可变的。238 同样，同样的载体通过视网膜下注射在老年人中耐受性良好。然而，没有观察到显著的视力改善，尽管这一结果不是研究的主要终点。 RGX-314（Regenxbio）正在开发作为一种新生血管AMD的视网膜下治疗，由编码抗VEGF单克隆抗体片段的rAAV8组成，类似于ranibizumab。来自I期临床试验（ASCENT）的初步评估显示，治疗是安全且耐受性良好的。治疗效果是剂量依赖性的，一些患者在长达18个月内不需要额外的抗VEGF注射。 ADVM-022（Adverum Biotechnologies）是一种基因治疗产品，利用来自rAAV2的工程化7m8载体编码aflibercept，用于治疗新生血管AMD。在I期临床试验（OPTIC）中，单次玻璃体内注射ADVM-022在随访期间的长达92周内，超过80%的患者减少了对额外抗VEGF注射的需求。 神经系统疾病。目前FDA批准的用于神经系统疾病的rAAV基因治疗使用两种基本不同的传递途径，用于局部与广泛转基因传递：立体定向、解剖学限制的rAAV传递或通过静脉内（i.v.）传递实现广泛的中枢神经系统转导。 芳香族L-氨基酸脱羧酶（AADC）缺乏症（AADCD）：AADCD是一种由多巴脱羧酶基因突变引起的常染色体隐性遗传疾病，导致AADC酶缺乏。AADC催化血清素和多巴胺合成的最后一步，多巴胺是去甲肾上腺素和肾上腺素的前体。这导致血清素、多巴胺、去甲肾上腺素和肾上腺素的联合缺乏。 患者在生命的头几个月出现肌肉张力减退、肌张力障碍、眼球运动危机、发育迟缓和自主功能障碍。报告了症状发作（2.7个月）和诊断（3.5年）之间的显著延迟。在最严重的形式中，患者错过了所有的发育里程碑，缺乏头部控制，从未学会站立或坐着，并在10岁之前死亡。 帕金森病（PD）和AADCD有不同的病因（神经元丧失与酶缺乏），但导致纹状体多巴胺缺乏作为共同的治疗目标。这导致了一种治疗载体可以同时惠及两种疾病的理念。2008年在PD患者中测试了第一种尝试传递内腔（豆状核是纹状体的一部分）rAAV表达AADC（rAAV.AADC）。总体而言，该疗法耐受性良好，与程序相关的不良效应较少，提供了关于立体定向颅内rAAV.AADC传递的安全性和可行性的关键数据。同样与临床改善相关的rAAV.AADC传递。受到PD试验的鼓舞，这种方法在2012年在台湾扩展到AADCD儿童。四名儿童，其中最大的在治疗时六岁，接受了双侧豆状核内注射rAAV2.AADC，总剂量为1.6 × 1011 vgs。所有患者都显示出运动评分的改善，并主观报告情绪稳定性改善。有趣的是，患者在灌注后经历了短暂的不自主运动。 2019年，日本的一个小组在一项I/II期试验中用相同的方法和类似的载体和剂量（2 × 1011 vgs）治疗了六名患者。然而，患者群体在突变和治疗年龄方面更加多样化，其中最大的患者治疗时19岁。与2017年台湾的研究类似，患者在灌注后经历了短暂的不协调的口腔和四肢运动。令人鼓舞的是，所有患者在运动表现和口腔进食方面都有所改善。 解剖学目标是基于PD病理定义的，即多巴胺能神经元的丧失。然而，在AADCD中，多巴胺缺乏的多巴胺能神经元似乎仍然存在。最近在一项安全性和有效性试验中评估了靶向黑质和腹侧被盖区的这些多巴胺能神经元，以模拟生理多巴胺合成。 七名4至9岁的患者被分配到两个剂量队列（总剂量8.3 × 1011和2.6 × 1012 vgs）。所有患者的运动功能和情绪都有所改善。在6/7的患者中，眼球运动危机完全停止。这种临床改善与PET成像结果一致，提示AADC酶活性。与大多数试验一样，灌注后观察到短暂的不自主运动。不幸的是，目前很难直接比较这两种方法，并需要进一步的研究。 最近，台湾试验的长期随访结果显示，26名患者的运动功能有显著改善，其中三名患者能够行走。有趣的是，治疗年龄与运动评分呈负相关，而剂量则没有。最常见的治疗相关不良效应（TEAE）是发热和不自主运动。除一名患者外，所有患者的不自主运动都得到了解决。值得注意的是，不自主运动的严重程度/持续时间与治疗年龄之间存在正相关。这种相关性可能是理解年龄风险效益的关键观察，也可能在其他CNS疾病中找到等效物。该疗法（Eladocagene Exuparvovec）最终获得许可，并最近被欧洲药品管理局批准用于18个月以上的患者（Upstaza）。 脊髓性肌肉萎缩症（SMA）：SMA是模型疾病，通过静脉rAAV基因治疗靶向大脑和脊髓的广泛病理。迄今为止，已有超过3000名患者接受治疗，为有效性和安全性提供了关键见解。SMA被分类为I-IV型变体。I型是最严重的类型，症状在生命最初6个月内开始，2岁前死亡。其特征是虚弱、运动发育退化，并发展为呼吸衰竭和死亡。SMA I是常染色体隐性的，由SMN1基因的丧失功能突变引起。SMN2是与SMN1同源的基因，产生SMN1的短版本。SMN2拷贝数与疾病的严重程度呈负相关。发病率根据国家和种族而异，但估计低至1/7829。 SMA I的第一批临床试验结果于2017年发表。259 15名患者接受了6.7 × 1013 vgs/kg或2 × 1014 vgs/kg的静脉注射rAAV9表达SMN1（rAAV.SMN1），由CB启动子控制，带有CMV增强子。低剂量组的平均年龄为6.3个月，高剂量组为3.4个月。主要发现是患者对呼吸机支持的需求减少，运动评分提高。11/12的患者在几秒钟内能够独立坐下并学会说话。虽然该疗法耐受性良好，但常见肝酶升高，但皮质类固醇治疗后降低。 在美国（STR1VE）和欧盟（STR1VE-EU）进行的两项III期后续研究中，分别又有22名和33名患者入组，并接受了1.1 × 1014 vgs/kg的静脉注射。这两项研究中的平均给药年龄是可比的（3.7 vs. 4.1个月）。美国研究的共同主要终点是无需辅助至少坐30秒和无呼吸机存活，而欧盟研究将主要终点定义为无需辅助至少坐10秒，无呼吸机存活作为次要终点。这两项研究都采用了强的松龙方案。在STR1VE中，22名患者中有13名实现了至少30秒的独立坐姿，在STR1VE-EU中，20名患者中有14名实现了至少10秒的独立坐姿，其中一名达到了30秒。值得注意的是，欧盟试验的纳入标准更广泛，一些患者显示出更晚期疾病的征兆，限制了这两项研究的直接比较。此外，两项试验都报告了灌注后肝酶升高和血小板减少。 2021年报告了最初的START试验的长期随访结果。最长的随访时间为6.2年，患者在初始试验期间获得的运动技能得以保持。令人鼓舞的是，两名患者获得了新的运动里程碑，并能够在辅助下站立。安全性概况仍然非常好，没有报告TEAEs。 批准疗法的可用性允许将该疾病纳入新生儿筛查，这可能识别出无症状患者。这提出了预防性治疗的可能性。 SPR1NT试验研究了在14名有两个SMN2拷贝的患者（中位年龄：21天）和15名有三个SMN2拷贝的患者（中位年龄：32天）中预防性治疗Onasemnogene abeparvovec（Zolgensma）1.1 × 1014 vgs/kg的治疗效果。预防性地给予强的松龙，并在治疗后给予。所有有两个SMN2拷贝的患者都实现了主要终点，即独立坐姿超过30秒。11/14的患者在正常发育窗口内达到了这一里程碑，独立站立的结果也类似。在理解可能有不同的行走定义的情况下，9-10/14的儿童能够独立行走，其中4-5在预期的发育窗口内实现了这一点。重要的是，所有患者在研究结束时都没有永久性通气并存活。报告了肝酶升高、心脏血清标志物、血小板减少但没有血栓性微血管病（TMA）和短暂的无反射/低反射，这些在除一名患者外的所有患者中都得到了解决，并被归类为与治疗无关。 有三个SMN2拷贝的患者表现出较轻的疾病，这反映在14/15的儿童至少独立站立3秒和至少行走五步。15名患者中有14名达到了站立，11名达到了行走，都在预期的发育窗口内。与两个SMN2拷贝组类似，所有有三个SMN2拷贝的患者在研究结束时都存活且没有永久性通气。报告的TEAEs与两个SMN2拷贝组相似。 这两个队列的结果强调了早期无症状治疗的好处，这种好处在以前使用Zolgensma时没有观察到临床改善的程度。它还强调了治疗的有利安全性概况，尽管有更严重的肝毒性甚至死亡的报告。Zolgensma于2019年获得FDA批准，截至2023年3月20日，已有超过3000名患者接受了Zolgensma治疗，据诺华公司称。已完成或正在进行的研究目前正在探索新的方面，包括联合疗法或将患者从传统疗法转变为Zolgensma。 代谢疾病。导致代谢障碍的遗传缺陷可能具有全身性或器官特异性表现，对载体设计和给药途径（例如，以CNS表现为主要的溶酶体贮积病）有影响。在这里，泰萨克斯病（TSD）、桑霍病（SD）和卡纳万病（CD）将作为目前活跃的临床试验（NCT04669535、NCT04798235、NCT04833907和NCT04998396）的神经代谢疾病的示例。 TSD和SD是溶酶体贮积病，被归类为GM2神经节苷脂沉积症，由在广泛表达的基因编码β-N-乙酰己糖胺酶（HEX）中的常染色体隐性、丧失功能突变引起。HEX由α和β（HEXA）亚基、β和β（HEXB）亚基或α和α（HEXS）亚基组成的二聚体。TSD和SD分别由编码α-和β亚基的基因突变引起。在临床上，两种疾病都以婴儿型、少年型和成人型出现，这些类型在发病和严重程度上有所不同。 一个挑战是需要α-和β-亚基的化学计量平衡，以实现HEX二聚体的最佳功能。鉴于rAAV的有限包装能力，一种策略是使用两个单独的载体同时传递α-和β-亚基。或者，已经开发了一种双顺反子rAAV，以共同表达α-和β-亚基。 2022年，在两名TSD患者的扩大访问试验中，证明了鞘内（i.t.）输注两种表达α和β亚基的rAAV.rh8载体的安全性。患者年龄分别为30个月（1.0 × 1014vgs；i.t.）和7个月（4.05 × 1013 vgs；双侧丘脑内和i.t.联合），并接受利妥昔单抗、西罗莫司和强的松龙的免疫抑制。该程序和载体耐受性良好。尽管功能结果不是研究终点的一部分，但两名患者均显示出疾病稳定的征兆。这项首次人类TSD rAAV基因治疗研究是评估丘脑内给药的里程碑，并为正在进行的临床试验铺平了道路。 目前，加拿大（NCT04798235）和美国（NCT04669535）有两项临床试验正在进行。加拿大的I/II期试验使用rAAV9通过单次i.t.剂量向婴儿TSD或SD患者传递HEXA和HEXB转基因。相比之下，美国的试验设计为通过双侧丘脑内途径和i.t./小脑延髓池联合给药的四种不同载体剂量的剂量递增研究。该研究使用两种rAAV.rh8载体传递HEXA或HEXB转基因。这两项试验的结果尚未公布。 CD是一种常染色体隐性遗传性进行性神经退行性疾病，其特征是海绵状变性和N-乙酰天冬氨酸（NAA）水平升高。ASPA酶的功能丧失突变导致CNS和尿液中NAA的积累。受影响的儿童通常永远不会学会走路、说话、控制头部运动或获得任何程度的独立性。许多患者在生命的最初几年内就会死于该病。一项临床试验首次评估了颅内rAAV给药治疗CD的安全性。在这次临床试验之后，优化载体设计的研究可以在小鼠中实现不同程度的年龄依赖性预防和疾病逆转。很可能载体设计和给药途径的差异可能解释了临床前研究报告的不同结果。 在早期的单一患者试验中，采用了脑室内（i.c.v.）和静脉内（i.v.）给药途径的组合，以减少总体载体剂量。然而，需要进行比较研究来评估这种策略。 目前，有两项临床试验正在进行中，其中一项在撰写本文时正在积极招募（NCT04833907和NCT04998396）。这两项试验使用不同的载体设计和给药途径（颅内给药与i.v.输注）。这种给药途径的差异需要不同的剂量。两项试验的数据已在科学会议上提出，看起来很有前景。鉴于这两项试验都在进行中，目前无法进行直接比较。 血液病。非肿瘤性血液病可分为细胞性或非细胞性疾病，意味着遗传突变影响细胞功能（例如，镰状细胞病）或血液成分（例如，血友病），分别。这种区别对于基因治疗至关重要，因为它决定了目标细胞/器官。 在细胞性血液病中，目标是细胞性血液成分，通常是骨髓。血液细胞的半衰期很短，因此直接通过rAAV靶向它们会很快失去治疗效果，因为细胞会更新。相比之下，骨髓干细胞不断分裂产生新细胞，这会稀释rAAV基因组。尽管如此，如果宿主基因组可以被编辑，或者基因治疗表达的细胞获得竞争优势，这可能是一个理想的效果。相比之下，非细胞成分是由细胞释放到血流中的。这为在任何可以将蛋白质分泌到血流中的细胞类型中表达转基因提供了机会。 血友病A和B是血液病的典型例子，由分泌性非细胞血液成分的缺乏引起。血友病A和B的估计患病率分别为~12:100,000和4:100,000。血友病A和B分别由因子VIII（FVIII）和因子XI（FXI）缺乏引起，均为隐性X连锁病。FVIII在内皮细胞中合成，而FIX在肝细胞中产生。 血友病A和B患者的出血风险显著增加，无论是自发性还是轻微创伤，导致高发病率和死亡率（例如，颅内出血）。此外，反复出血会导致局部反应和致残性细胞退化（例如，血友病性关节病）。值得注意的是，与普通人群相比，患者的总体生存率降低。 在基因治疗之前，治疗严重的血友病A或B需要反复给药缺乏的因子或药物以调节凝血级联反应。这些药物的医疗支出一直在上升，到2019年在美国达到约15亿美元。由于其潜在的持久效果和临床知识（即，自然病史）在诊断和治疗血友病方面，基因治疗作为一种理想的模式出现，这在超罕见病的基因治疗开发中经常缺失。此外，FVIII和FIX是分泌的，这意味着在组织中的异位表达可以产生因子（例如，肌肉）。根据血浆FVIII或FIX活性对血友病的严重程度进行分类：严重<1%，中等1-5%，正常5-40%。这为实现部分（>1%）或完全（>5%）疾病矫正提供了明确的目标水平。在其他疾病中，这种有意义的阈值很少存在或已知。 首次尝试使用病毒递送平台开发血友病基因治疗的尝试早于rAAV的成功。这些早期非rAAV研究无法实现持久的治疗因子水平或触发针对病毒载体的免疫反应。1997年，两项研究通过肌肉内（i.m.）或肝门静脉（肝脏导向）注射使用rAAV（rAAV.hFIX）证明了持久的人类FIX（hFIX）表达。 可能出现的挑战可能来自FIX活性抑制抗体，这些抗体在i.m. rAAV.hFIX后被发现。然而，使用物种特异性转基因可能会改善这种抗体或其他免疫反应的形成，如在利用犬FIX（cFIX）的血友病B犬研究中所证明的。虽然肝门静脉给药是侵入性的，犬在手术前需要FIX输血，但与i.m.研究相比，观察到略高的cFIX血浆水平。然而，由于研究参数的差异，包括载体剂量，这一结论不可靠。 在2000年，一项使用肌肉内（i.m.）给药的rAAV.hFIX的I期试验报告了有利的安全性概况，这一结果在三年后研究完成时得到了确认。值得注意的是，没有检测到抗FIX抑制性或非抑制性抗体，这归因于患者选择（仅有错义突变）和限制每个部位的总rAAV剂量，这在动物模型中被识别与抑制性抗FIX抗体的形成相关。然而，患者的FIX血清水平仍然低于1%，这被认为是最低的治疗目标。另一项I/II期试验通过肝动脉给药给予rAAV2.hFIX，只实现了短暂的FIX表达，可能是由于抗-AAV衣壳细胞免疫反应导致肝细胞破坏和转基因丢失。这一发现引领了对rAAV免疫学及其对临床安全性和有效性影响的主要关注。为了达到治疗效力，随后通过优化几个参数来增加FIX表达的努力，包括使用新发现的rAAV衣壳、转基因密码子优化、启动子选择、给药途径和免疫抑制。额外的创新来自于2009年发现的Padua变异体FIX，它具有超生理活性。首先，一项I期试验结合静脉内（i.v.）给药的亲肝rAAV8和密码子优化的hFIX转基因，实现了2-12%的FIX活性，没有使用免疫抑制。正如预期的那样，观察到了针对AAV8衣壳的体液和T细胞介导的免疫反应。T细胞反应通常与剂量相关，但并非普遍如此，这表明患者特定因素。这项试验的患者被包括在一项后续研究中，该研究有四名新患者在接受高剂量组治疗，结果显示在平均3.2年的时间内FIX活性为1-6%。虽然安全性概况有利，但高剂量组的一些患者在没有使用免疫抑制的情况下，经历了与FIX活性下降相关的肝酶水平延迟升高，这在糖皮质激素给药后得到解决。 虽然改变rAAV8衣壳和转基因密码子优化显示出有希望的改进，但它并没有一致地实现治疗性FIX活性。为了克服这些挑战，设计了一种具有增加肝脏嗜性的新工程衣壳和密码子优化的Padua FIX变体。值得注意的是，剂量（5.0 × 1011 vgs/kg）比2011年和2014年试验中的高剂量（2.0 × 1012 vgs/kg）低4倍。尽管剂量减少，但FIX活性达到了平均33.7%（范围14-81%）。没有给予预防性免疫抑制，只有两名患者需要强的松龙治疗短暂的肝酶升高，突出了卓越的安全性概况。在临床上，年化出血率从平均11.1显著下降到0.4。总体而言，Padua变体的增加活性被证明是非常有益的，并在随后的临床试验中得到利用。 血友病B试验揭示了几个在人类中未预料到的rAAV基因治疗方面，包括转基因表达的逐渐减少和免疫反应。目前，FDA批准的血友病B基因治疗（静脉内rAAV5 Padua，Hemgenix，Etranacogene dezaparvovec）已经上市，而其他rAAV产品（verbrinacogene setparvovec (FLT180a) 使用rAAVS3衣壳和Fidanacogene elaparvovec，以前称为SPK-9001和PF-06838435）正在进行临床试验，但正在等待FDA批准。 血友病A的一个显著挑战是大约7 kb的FVIII转基因，超出了rAAV的包装能力，311 需要使用截短形式。通过静脉内rAAV5传递密码子优化的FVIII变体（FVIIISQ；缺失B域）评估了截短FVIII的治疗效力。不同剂量组（6.0 × 1012 vs. 2.0 × 1013 vs. 6.0 × 1013 vgs/kg）的结果表明，最高剂量在52周的研究期间实现了治疗性FVIII活性。令人鼓舞的是，只有高剂量患者接受了免疫抑制，没有发现临床上的不良反应。然而，转基因表达随时间减少。 另一项试验评估了rAAV3衍生的工程衣壳在18名患者中表达FVIIISQ，剂量范围从5.0 × 1011到2.0 × 1012 vgs/kg。虽然它实现了治疗效益，但18名患者中有2名完全失去了转基因表达，这是由于针对rAAV衣壳的免疫反应，尽管使用了糖皮质激素。值得注意的是，试图让几名患者停止使用糖皮质激素导致细胞免疫反应。尽管Savita等人的试验和George等人的试验之间的载体特性可能解释了转基因表达和维持的差异，但有人假设高表达水平可能触发未折叠蛋白反应，随后导致FVIII丢失。 后续的III期试验使用rAAV5hFVIIISQ招募了134名患者，接受了单次6.0 × 1013vgs/kg静脉内剂量。315 这种一次性治疗显著增加了FVIII活性并减少了外源性FVIII的使用，与外源性FVIII预防相比，年度出血事件有所改善。肝酶在中位8周时升高，96.2%的患者在使用糖皮质激素治疗后降低。两年的随访数据显示与之前的I/II期试验类似的趋势，年度出血率和外源性FVIII使用减少。然而，转基因表达随时间减少的观察也是如此。出乎意料的是，III期试验中的FVIII水平低于I/II期试验在一年和两年随访时的水平。这种治疗载体最近获得了FDA批准（roctavian，Valoctocogene Roxaparvovec，rAAV5hFVIIISQ），进行后续临床研究以确定其持久性至关重要。 神经肌肉疾病。神经肌肉疾病包括影响神经元和肌细胞的疾病，其中肌营养不良症主要影响肌细胞。DMD是最常见的营养不良症，并且FDA最近批准了基于rAAV的基因治疗。DMD是一种罕见的X连锁和进行性疾病，患病率约为~15.9–19.5/100,000，主要影响男性，尽管也有报道罕见的女性病例。它是由dystrophin基因的突变引起的，导致不存在或功能失调的dystrophin蛋白。它表现为肌无力、失去行走能力、呼吸功能受损和心肌病，后两者通常是患者死亡的原因。 dystrophin基因由八个启动子和79个外显子组成，产生大约11.4 kb的cDNA和427 kDa肌肉同型蛋白。突变通常导致DMD患者蛋白截断。大的dystrophin cDNA大小对基于rAAV的基因替代治疗构成了主要挑战，因为它超出了包装能力，因此策略集中在识别最小必需的蛋白序列。已经开发了两种不同的dystrophin转基因：~6-8 kb的小型dystrophin和~4 kb的微型dystrophin。小型dystrophin需要通过两个rAAVs传递，而微型dystrophin适合一个rAAV。其他使用rAAV的策略包括外显子跳跃，329 GALGT2传递330（已显示在小鼠中预防肌肉病理学），以及使用CRISPR纠正dystrophin基因或激活非肌肉dystrophin同型使用基因编辑。重点介绍已经转化为人类应用的策略。 2006年，一项试验评估了一种混合rAAV2.5表达微型dystrophin，通过肌肉内注射在6名5-11岁的患者中。患者被分为两个剂量组：2 ×1010和1.0 × 1011 vgs/kg。虽然在治疗后第42天在2/6患者中发现了微型dystrophin阳性的肌纤维，但在后来的时间点没有发现dystrophin阳性细胞，这可能指向免疫介导的过程。这也得到了转基因特异性T细胞的发现的支持。令人惊讶的是，2/6患者在接受基因治疗之前对微型dystrophin基因的一个域有T细胞阳性，这表明突变的内源性dystrophin可能不足以诱导免疫耐受。 为了实现全身受影响肌细胞的广泛靶向，一项试验评估了静脉注射2.0 × 1014 vgs/kg rAAV.rh74.micro-dystrophin在四名平均年龄为4.8岁的患者的安全性和治疗效力。令人鼓舞的是，这项I/II期试验中的所有患者从临床和组织病理学上都有所改善，这与治疗时的年龄和疾病严重程度相关。与2010年早期试验结果相比，没有检测到针对micro-dystrophin蛋白的T细胞活性。肝酶水平在rAAV输注后上升，但保持温和，并通过糖皮质激素治疗正常化。没有发现TMA的迹象。334 一项随机、双盲、安慰剂对照的临床试验（NCT03769116，delandistrogene moxeparvovec）刚刚完成，涉及41名患者。值得注意的是，这种疗法在2023年获得了FDA的批准。 替代基因替代疗法的另一种策略涉及使用疾病修饰基因。在2022年，首个人体试验治疗了两名患者（分别为6.9岁和8.9岁），他们通过双侧股静脉隔离肢体灌注，分别接受了5.0 ×1013和2.5 ×1013 vgs/kg每条腿的rAAV.rh47表达GALGT2。隔离肢体灌注在动物中已广泛评估，作为提高肌肉转导但同时减少总剂量的尝试。GALGT2作为β1,4 N-乙酰半乳糖胺基转移酶在肌肉中糖基化α-肌聚糖，并已显示出对肌肉病理学的积极影响。尽管检测到针对rAAV衣壳的抗体和针对rAAV和GALGT2蛋白的轻度T细胞活性，但没有报告相关肝毒性。虽然患者数量太少，无法得出有意义的结论，但值得注意的是，接受较高剂量的年轻患者显示出更大的改善。 其他正在进行的试验仍在进行中，但不在招募中，包括Solid Bioscience的随机I/II期试验（NCT03368742）和Pfizer的非随机Ib期试验（NCT03362502），这两项试验都使用rAAV9在肌肉特异性启动子的控制下表达截断的dystrophin。这些试验评估了增加的静脉内剂量，并包括儿童和青少年，但排除了心脏和呼吸功能严重受损的患者。 定义资格标准可能特别具有挑战性，并突出了当前在理解和预测rAAV基因治疗与疾病之间相互作用方面的空白。最近一项使用静脉内rAAV9在1.0 × 1014 vgs/kg表达与VP64连接的dCas9以激活皮质dystrophin表达的单一患者DMD试验以致命告终。该患者在接受剂量时无法行走并患有晚期疾病，在给药后第五天心脏功能恶化，第六天出现急性呼吸窘迫综合征，导致在治疗后第八天心脏骤停和死亡。最终评估得出的假设是患者发展为细胞因子介导的毛细血管渗漏综合征，因为针对rAAV衣壳或转基因的体液或细胞免疫反应的检测为阴性。也没有发现TMA的迹象，这在高剂量DMD试验中已经观察到。 心血管疾病。心力衰竭是由心室充盈或排空的结构或功能改变定义的综合征。它在美国约有600万人受到影响，非常普遍。钙在心脏功能中至关重要，也是传统药物开发的靶标。一种在临床前成功的策略是过度表达ATPase Sarcoplasmic/Endoplasmic Reticulum Ca2+ Transporting 2 (SERCA2a)，它在心脏舒张过程中将钙泵入肌浆网（SR）。 CUPID试验评估了使用rAAV1过度表达SERCA2a（rAAV1.SERCA2a）。342,343 它被设计为I/II期试验，I期部分是一个开放标签的顺序剂量递增研究342，II期是随机、双盲和安慰剂对照的。在I期研究中，评估了单次冠状动脉内给药用于心脏导向的rAAV1.SERAC2a传递，剂量为1.4 × 1011、6.0 × 1011和3.0 × 1013 vgs（每组3名患者）。所有接受治疗的患者在接受治疗时都有纽约心脏协会（NYHA）III类心力衰竭。一些患者显示出症状改善，并很好地耐受治疗。一名患者死亡，这被确定与治疗无关。总体而言，有利的安全性概况鼓励了向研究的II期过渡，该期招募了25名接受治疗的患者和14名接受安慰剂的患者。剂量分配给三个队列，6.0 × 1011（n = 8）、3.0 × 1012（n = 8）和1.0 × 1013 vgs（n = 9）。所有患者在II期研究开始时都有NYHA III类心力衰竭。总体而言，观察到接受治疗的患者与安慰剂相比有所改善的趋势；然而，大多数结果标准没有达到统计学意义，除了左室舒张末期容积。该研究确认了在I期观察到的有利安全性概况。 CUPID II期的三年随访结果无法证明生存率的显著改善。然而，非终末事件的累积分析达到了统计学意义，鼓励了CUPID 2。CUPID 2总共分配了250名患者接受治疗（n = 123）或安慰剂组（n = 127）。与之前的试验类似，关键结果措施没有显示出显著差异（例如，生存率）。有趣的是，干预组的早期终末事件显著增加。其他研究调查了rAAV1.SERCA2a对左室舒张末期容积（AGENT-HF）的益处或在接受左室辅助装置（LVAD）的患者中的安全性（SERCALVAD）以及循环NAbs的影响。这两项试验在令人沮丧的CUPID 2试验结果出现后被终止。 尽管这些试验没有在结果上取得临床上显著的改善，但它们突出了rAAV基因治疗在心脏疾病中的潜力。正在开发新的、有前景的心脏基因治疗使用rAAV，包括使用rAAV9表达LAMP2B治疗Danon病，这是一种导致严重心肌病的X连锁疾病。I期（NCT03882437）试验已完成招募，中期结果表明安全性有利和临床改善，TMA和急性肾损伤的发生通过治疗得到解决。对应的II期（NCT06092034）研究正在积极招募至少8岁的男性，作为单臂研究进行单次静脉注射。该试验预计将在2025年完成。 癌症。rAAV在临床前研究中对癌症显示出前景，但其在人类中的应用受到限制。在撰写本文时，只有一项使用rAAV进行胃癌体外基因治疗的试验正在进行中（NCT02496273）。因此，本节重点介绍临床前成就和基于rAAV的癌症治疗策略。有关更详细的理解，我们建议读者参考几篇深入的综述。 使用rAAV的抗肿瘤策略与常规抗肿瘤方案具有相似的目标和概念。然而，基因治疗提供了特定优势，如调节或敲除基因表达。rAAV转导分裂和非分裂细胞，使得在异质性肿瘤组织内广泛靶向细胞成为可能。这一特性可以用来向肿瘤细胞传递细胞因子转基因，以招募免疫细胞并引发抗肿瘤免疫反应。 一项概念验证研究表明，rAAV介导的干扰素β（IFNβ）表达在异种移植小鼠模型中抑制了结直肠癌细胞。在一项非随机、非盲、回顾性人类研究中，将IFNβ添加到替莫唑胺治疗中延长了胶质母细胞瘤（GBM）患者的生存期。通过rAAV转导（rAAV.IFNβ）的肿瘤细胞表达IFNβ可以克服IFNβ的短半衰期并增强治疗效果，这在一项侵袭性原位异种移植GBM小鼠模型中得到证实，其中颅内给药几乎使总体生存率翻倍。 利用rAAV可适应的衣壳，肿瘤定向衣壳工程可以提高转导效率和特异性，同时减轻可能的不良反应。事实上，展示Her2配体的rAAV显示出增加的转导特异性。HSV胸苷激酶的表达将更昔洛韦转化为有毒产物，随后并入肿瘤DNA中以诱导细胞死亡。这种基因的传递减少了肿瘤负担，并与接受批准的抗癌药物赫赛汀治疗的动物组相比延长了生存期。 尽管通过工程化衣壳传递癌症治疗剂提供了高度特异性，但这种方法耗时且劳动密集。另一种方法是筛选现有的rAAV衣壳库，以确定最佳的组合。例如，在小鼠中发现rAAV7和九型能够高度转导前列腺组织。这种增强的前列腺组织转导可以用于敲低与前列腺癌相关的miRNA，这在小鼠前列腺癌模型中被发现可以减缓疾病进展。 这些概念验证研究突出了使用rAAV的有前途的抗癌策略。然而，在人类应用可行之前，必须解决一些关键问题。有关持续治疗性转基因表达的安全性存在担忧，特别是在肿瘤消除或复发后。与传统化疗类似，复发肿瘤可能对治疗产生耐药性或能够逃避治疗，使持续的转基因表达变得无效。鉴于细胞因子治疗通常具有显著的副作用，未受调控的转基因表达可能会导致额外的并发症。需要开发改进的调控基因治疗策略，并结合对肿瘤生物学的理解。 4.1.1.将基于rAAV的基因治疗转化为临床实践的挑战和局限性 rAAV衣壳的性能与给药途径密切相关，这促使探索不同的传递途径，包括血管内、直接组织内注射和传递到现有的体腔或液体空间。每种途径和衣壳选择必须根据疾病、目标区域、器官系统以及其他因素（如患者年龄）来确定（表2）。 一个经典的例子是保护CNS的血脑屏障，它提出了基因治疗需要克服的障碍。一些rAAV衣壳能够有效地穿过血脑屏障。通过系统性静脉内给药靶向CNS并非最佳选择，如果治疗目标仅仅是大脑的一个小区域，因为所需的载体剂量和可能的副作用会很高，而没有实现对目标区域的优越转导。在这种情况下，直接和局部给药至关重要，如AADC所示。然而，即使在有限的给药区域内，也必须仔细选择衣壳。rAAV9显示出相当大的组织扩散和相对广泛的嗜性，即使在局部给药时也是如此，而像rAAV2这样的血清型转导能力则更为有限。 另一个挑战是从临床前到临床研究的转化。为了减轻载体成本和高剂量带来的风险，如在静脉内给药中使用的，通常广泛使用脑脊液空间给药以实现广泛的CNS转导。将小鼠、大鼠甚至更大动物大脑的研究结果外推到人类是令人生畏的挑战。例如，rAAV9可以在小鼠中实现全脑转导，其中侧脑室和皮层之间的距离仅为几毫米。在人类中，这一距离跨越了几厘米。因此，使用脑脊液给药在人类中实现广泛CNS转导的临床试验必须证明这种给药方式的可转化性。 4.1.2.rAAV的免疫原性 除了物理屏障外，rAAV还面临免疫系统设立的许多生物学屏障，包括预先存在的免疫、补体激活、先天模式和危险受体以及适应性B细胞和T细胞免疫（图6）。在这里，我们讨论每个免疫学屏障如何对载体转导产生负面影响，以及可用的潜在解决方案。 图6 rAAV基因治疗中的免疫反应 a. 预先存在的AAV特异性抗体可以与rAAV相互作用，阻止其进入目标细胞。来源于细菌的内肽酶IdeS及其同源物可以裂解完整抗体为Fab和Fc片段，从而减少其在循环中的半衰期并消除Fc介导的功能。或者，可以通过修改衣壳或通过EVs封装来防止抗体识别。 b. 在给予高剂量rAAV时观察到补体激活。尽管确切机制尚不清楚，但一个主要假设是rAAV附着在细胞表面通过与补体C1q结合激活经典途径，这会裂解C4和C2形成C3转化酶C4b2b。然后C3被裂解并形成C5转化酶，裂解C5成C5b，与C6-9结合形成膜攻击复合物（MAC），直接导致细胞溶解，造成肝脏或肾脏损伤。补体激活介导内皮损伤、血栓性微血管病（TMA）和非典型溶血性尿毒症综合征（aHUS）。环肽APL-9是C1抑制剂（C1inh），依库珠单抗是C1、C3和C5的抑制剂，可能会抑制补体激活级联反应。 c. 先天受体，包括TLR2（病毒衣壳）、TLR9（未甲基化CpG）和RIG-I/MDA5（dsRNA），已被证明可以促进炎症。通过一系列信号传导事件，IRF3、IRF7和NF-κB将被磷酸化并转移到细胞核，在那里它们激活I型干扰素（IFN-I）、干扰素刺激基因（ISGs）和促炎细胞因子，介导抗病毒免疫并传播炎症。许多途径组分可以被药理学抑制剂靶向。此外，端粒衍生的io2序列可以抑制TLR9介导的转基因识别。 d. 转基因和衣壳可以被蛋白酶体处理成肽段，由MHC-I或MHC-II分子呈递。识别这些肽段的CD8和CD4 T细胞将被激活。CD8 T细胞可能直接杀死被rAAV转导的细胞，而CD4 T细胞可以帮助CD8 T细胞和B细胞增强它们的效应功能。具有特异性的B细胞可以释放抗体，消除未来重新给药的可能性。工程化的miRNA结合位点与细胞miRNA相互作用，导致转录本降解。在抗原呈递细胞中，这种设计可以防止转基因衍生肽段呈递给T细胞。此外，抗CD20抗体利妥昔单抗和mTOR抑制剂雷帕霉素可用于减少适应性反应。图表由Biorender.com创建。 预先存在的免疫。针对rAAV衣壳的预先存在的体液反应，以rAAV特异性NAbs测量，可能来自于过去与wtAAV的免疫记忆。新生儿在前六个月内携带母体AAV NAbs。之后，中和滴度下降，但在7-9个月大时重新出现。总体血清阳性率范围从低于10%到超过90%，这取决于血清型和地理位置。这是对rAAV基因治疗最有害的负担，因为即使是低水平的血清阳性也会显著降低转基因表达，如果载体通过静脉内给药。 在与外来抗原的积极接触中，一些表达IgG的B细胞将分化为长寿命的浆细胞，主要居住在骨髓中，并在感染解决后很长一段时间内继续表达抗原特异性IgG。虽然IgM水平在感染解决后急剧下降，但IgG水平可以维持相当长的时间，构成了有效感染的主要体液屏障。 NAbs在重新给药方面也构成了最重大的挑战。因为rAAV基因组通常作为环状的染色体外DNA维持，它们在每次宿主细胞分裂时平均数量减少一半，当宿主细胞死亡时丢失因此，可能需要在患者的一生中重新给药，特别是对于靶向具有活跃细胞周转的器官的基因治疗，如肝脏。然而，重新给药受到第一剂产生的NAbs的抑制。 rAAV衣壳-抗体相互作用尤其对于基因治疗：通过cryo-EM或肽扫描可以捕获抗体的互补决定区（即抗体接触抗原的地方）在AAV衣壳表面的足迹。已经识别出一些抗原“热点”区域，如二十面体的三重轴、五重轴和2/5重墙。最近在接受Zolgensma治疗的患者中进行的一项研究发现，约75%的抗体结合在二重表面。虽然这些发现有助于指导衣壳工程以逃避由抗体引起的预先存在的免疫，但重要的是要记住，与抗体相比，rAAV相当小，以至于几个抗体结合到病毒上就足以覆盖病毒表面并阻止其细胞进入。 对局部与系统给药途径的影响：静脉内输注最容易受到rAAV特异性循环抗体的影响。对于免疫特权器官的局部注射途径，如眼睛和CNS，rAAV特异性抗体的限制不那么严重，并且有可能重新给药。尽管玻璃体中的预先存在的NAbs远低于血清，但玻璃体中的NAb水平与血脑屏障的完整性负相关，这是评估眼科基因治疗潜在影响的一个重要指标。在通过玻璃体内途径接受ADVM-022的NHPs中，一只眼睛的注射导致血清和注射眼中的NAbs，但未注射的眼睛中没有。2个月后对另一只眼睛进行玻璃体注射并未导致加剧的炎症。与第一只眼睛相比，第二只眼睛中的转基因表达趋势较低，但在预测范围内。 有趣的是，这种对循环中和抗体的差异敏感性可以作为一种策略来探索，以限制载体在非靶组织的转导。当进行丘脑内或脑室内注射时，中和抗体的存在阻止了基因传递到肝脏，但并未阻止传递到中枢神经系统。筛选预先存在的免疫：可以使用酶联免疫吸附测定来测量rAAV衣壳特异性总抗体（TAb）水平。为了确定患者是否有资格参加临床试验，许多试验采用基于细胞的转导抑制（TI）测定来测量患者的血清需要稀释多少倍才能允许最佳的rAAV转导。有时血清是TAb阳性和TI阴性，表明并非所有的AAV特异性抗体都抑制转导。更有趣的是，有些血清是TAb阴性和TI阳性，表明存在非抗体的抑制性血清成分。 预先存在的免疫逃避策略：CD20是一种高度表达的B细胞特异性分子，可以用利妥昔单抗作为靶点，利妥昔单抗在几个基因治疗试验中与其他免疫抑制剂（如类固醇和雷帕霉素）联合使用，以减少一般炎症以及B细胞和T细胞介导的免疫。然而，利妥昔单抗并不能有效预防预先存在的体液免疫，因为长寿的浆细胞不表达CD20。 包装在细胞外囊泡（EVs）中的rAAV可能允许部分逃避中和抗体。EVs可以涂覆免疫抑制分子，如CTLA-4，以进一步抑制免疫。将rAAV包装在EVs内可能会改变组织的嗜性，这可能需要对EV进行额外的修改，类似于上述对rAAV衣壳的修改，是逃避预先存在的免疫的另一种流行方法。 最近，已经探索了能够裂解人类抗体的细菌内肽酶。IdeS是一种来自化脓性链球菌的IgG降解酶，已被证明可以耗尽总IgG，并允许在rAAV血清阳性的NHPs中显著改善载体转导。其同源物IdeZ来自马链球菌亚种，显示出类似的效果。IdeXork是一种专有的IgG降解酶，正在进入基于rAAV的迟发性庞贝病的临床试验。在多项研究中，IdeS型酶似乎可以提供一个无IgG的窗口期5-7天。一个潜在的警告是，IdeS在中和滴度只有中等水平时（对于NHP中的AAV3B约为1:108）效果最好。在一个起始中和滴度为1:696的NHP中，IdeS将滴度降低到1:88，这仍然抑制了转基因表达。此外，对IdeS的适应性免疫反应可能会抵消其效力。借鉴移植研究，第二次使用IdeS可能只允许一个24小时的治疗窗口，因为产生了抗IdeS抗体。 还有来自猪链球菌的IgM裂解酶（IceM）和IceMG，它们是从IceM工程改造而来，可以裂解IgM和IgG。除了裂解血清中的游离形式IgM/G外，这些酶还可以从B细胞表面裂解IgM并阻断rAAV9体外介导的补体激活。这些是否能够转化为临床效益还有待研究。 补体激活。补体系统由一系列高丰度的血清蛋白及其相关的细胞受体组成。许多接受高剂量（约1.0×1014vg/kg）rAAV基因治疗的患者发展出与补体激活相关的TEAEs，包括血小板减少症、溶血性贫血、TMA、肝酶升高、急性肝损伤和类似aHUS的肾脏损伤。已经记录了与补体激活相关的死亡病例。值得注意的是，截至2022年1月13日，在超过1400名接受Zolgensma治疗的患者中，记录了9例TMA病例（约0.6%）。 补体激活机制：补体激活可能通过三种途径之一发生：经典途径（IgM/IgG、C1q和C4）、替代途径（C3自发水解）和凝集素途径（甘露糖结合凝集素）。这三条途径汇聚形成C3转化酶、C5转化酶，最终形成杀死细胞的膜攻击复合物。 rAAV输注期间补体激活的机制尚未阐明。AAV2衣壳可以直接免疫沉淀C3及其裂解产物C3b和iC3b，但在体外在没有IgG的情况下，相当于1×1014 vg/kg剂量的rAAV颗粒并未激活C3。体外实验表明，只有当存在抗-AAV抗体时，AAV在全血中才激活补体。多个临床试验注意到rAAV接受者中补体C4的减少。此外，最近一项关于接受Zolgensma治疗的患者的研究显示，单独接受类固醇的患者TMA的发生率更高，AAV9特异性IgM和IgG滴度更高，而同时接受利妥昔单抗和雷帕霉素的患者抗体滴度更低，补体激活最小。综合证据似乎表明，rAAV输注期间的补体激活是通过经典途径发生的。然而，两个观察结果揭示了与这一假设未解决的冲突。首先，在AAVnaïve患者中，在发展出rAAV特异性IgM和IgG之前，记录到较低的C4水平。其次，患者预先筛选为特定AAV血清型的血清阴性。 在rAAV给药后，小鼠和NHPs似乎并没有表现出在人类中观察到的补体激活特征。在NHPs中，即使在检测到AAV特异性IgM之前，也在给药后第3天短暂检测到补体激活，并表现为Bb和sC5b-9的增加，而不是C4b。在小鼠中，我们未发表的结果显示，如果在相当于2.5×1014 vg/kg剂量给AAV，补体激活非常轻微。最近在小鼠中的一项研究表明，在3.0×1014 vg/kg时，血清中的C3b和肝脏中的C5b-9染色变得可检测，并且在7.0×1014 vg/kg的超临床剂量下，可以检测到轻度的血小板减少症，补体激活的峰值出现在第3天。 补体抑制策略：几种补体抑制剂正在测试用于rAAV基因治疗，包括阻断C5的单克隆抗体依库珠单抗。依库珠单抗已经用于aHUS，并且已经给予TMA后的基因治疗接受者。虽然大多数患者从TMA中恢复，但一名患者最终因新发的金黄色葡萄球菌表皮感染而死于急性肾损伤。依库珠单抗降低了血清sC5b-9并轻微增加了血小板计数，但没有挽救患者，因为补体在防御细菌方面是必不可少的。 由于C3与rAAV衣壳的相互作用促进了病毒在小鼠巨噬细胞中的摄取，补体抑制可能会影响rAAV转导效率。这在体外实验中显示为APL-9降低了在NAb高血清中人类血白细胞的rAAV摄取，但在NAb低血清中没有。然而，C1-inh分别在非免疫小鼠和免疫小鼠中增加了约33%和28%的肝脏转导。 先天免疫。无数的细胞表面、内质体和细胞质受体检测与病原体通常相关的分子特征，作为细胞防御机制的警报系统，并启动炎症反应。先天传感器的激活通常发生在几分钟或几小时内。由于rAAV是基于病毒的，它的一些固有特征可能会被这些先天受体检测到。免疫反应触发的细胞因子分泌已被证明显著降低转基因表达并促进适应性反应。 与rAAV相互作用的先天免疫受体包括TLR-2、TLR-9、MDA5和RIG-I。TLR-2是一种细胞表面受体，能够识别与微生物相关的多种配体，如脂蛋白、肽聚糖和糖脂。它可以通过与TLR-1和TLR-6形成异源二聚体来进一步扩展其配体识别范围。rAAV2和rAAV8都以TLR-2依赖的方式激活人肝细胞中NF-κB介导的细胞因子表达。TLR-9是一种内质体膜附着受体，负责识别微生物DNA中的未甲基化CpG基序。rAAV中TLR-9的激活不仅导致细胞因子（如IL-6和TNF-α）的急性表达，这些细胞因子直接下游于TLR信号传导，而且还促进细胞毒性CD8+ T细胞的浸润，导致转导目标细胞的丢失。从基于rAAV8的载体中去除CpG基序以治疗血友病B，导致NAb发展减少。 MDA5和RIG-I是dsRNA的细胞质传感器。rAAV的3' ITR区域可能具有合成负链RNA的启动子活性，这些RNA可以与正义链转录本退火形成双链RNA。人肝细胞和灵长类视网膜表达高水平的MDA5和RIG-I，这些细胞在体外rAAV感染后介导IFN-β的产生。 最近的一项研究表明，IL-1受体（IL-1R）-MyD88信号传导是rAAV检测的关键组分，因为IL-1R−/−和MyD88−/−小鼠在rAAV8.OVA注射后没有显示出转基因特异性T细胞反应。IL-1R的配体是IL-1α和IL-1β，它们在炎症体激活后被激活，而MyD88在TLRs和IL-1R下游起作用。有趣的是，TLR2/3/4/9、NLRP1/3、AIM2或Caspase-1缺陷的小鼠显示出正常或只有轻微减少的转基因特异性T细胞反应，这表明rAAV被一个尚未确定的先天免疫传感器检测到。 减轻先天受体信号传导的策略：为了减少TLR-9信号传导，可以通过修改密码子来去除rAAV载体中的CpG基序。这种方法的一个担忧是tRNA分子的丰度存在差异，因此改变它们的使用可能会潜在地改变蛋白质折叠动态并增加错误折叠的机会。因此，在rAAV生产过程中加入甲基转移酶可能是一个很好的替代方案。另一种可能性是加入TLR-9抑制序列。一种来自哺乳动物端粒的ODN TTAGGG重复序列可以形成G-四联体，这些四联体可以与TLR-9结合以抑制其二聚体形成和信号传导。带有这种序列的rAAV显示出减少的免疫刺激性能力，导致在各种动物模型中肝脏、肌肉和视网膜的T细胞浸润减少。 药理学抑制先天信号传导途径是另一种选择。阻断IL-1（炎症体细胞因子）减少了转基因特异性CD8+ T细胞的频率，而抑制IL-6（TLR细胞因子）导致对rAAV衣壳的抗体反应减少。抑制IRAK4（TLR激酶）在体外导致TLR-9细胞因子表达降低，体内测试正在进行中。 适应性免疫。适应性免疫指的是抗原特异性B细胞和T细胞反应。B细胞可以产生针对rAAV衣壳的抗体，这消除了重新给药的可能性。细胞毒性CD8+ T细胞可以识别来自转基因和rAAV衣壳的外来肽段，并启动转导细胞的杀伤。CD4+ T细胞可以通过分泌Th1、Th2或Th17型细胞因子来帮助B细胞和细胞毒性T细胞反应。适应性B细胞反应的形成机制与预先存在的体液免疫相同，因此本节将主要关注T细胞反应。 T细胞介导的不良反应：背根神经节（DRG）是位于脊髓沿线的一群感觉神经元，它们在传递感觉信息中起着至关重要的作用。NHP、啮齿动物和小猪模型显示出DRG损伤的高发病率，并且与剂量相关。在一名人类患者中观察到包括感觉变化、疼痛和MRI上的DRG增强在内的DRG毒性症状。部分损伤可能是转基因诱导的，认为其持续时间和范围有限，而严重的DRG毒性与CD8+ T细胞的涌入有关，并且不受类固醇影响。 心肌炎在NHPs中系统性rAAV转移后归因于转基因特异性细胞毒性T细胞反应，因为在心肌损伤的后期出现，严重心肌炎中CD8+ T细胞的高度浸润，以及通过酶联免疫吸附点试验识别的高转基因特异性。 已经证明了针对衣壳的T细胞反应。一名接受2.0×1012 vg/kg AAV2-FIX治疗的血友病B患者没有显示出针对转基因的T细胞反应，但显示出针对AAV2衣壳的T细胞反应。这可能与该患者的人类白细胞抗原（HLA）-B*0702等位基因有关，该等位基因预计与rAAV2衣壳肽段VPQYGYLTL具有高亲和力结合。在另一项使用scAAV2/8治疗血友病B的试验中，六名入选患者中没有一个显示出针对转基因的反应。然而，在接受6.0×1011 vg/kg或更高剂量的患者中，针对衣壳的T细胞反应明显存在。在两名患者中，针对衣壳的T细胞反应水平似乎与丙氨酸转氨酶水平的突然增加相关。 减少适应性免疫的策略：miRNA是能够与mRNA转录本结合并催化转录本降解的小RNA分子。细胞自然表达某些miRNA分子以调节mRNA转录本的丰度。例如，miR-142由APCs高度表达。通过在转基因的3'-UTR中工程化一个miR-142结合位点（BS），其翻译可以在APCs中选择性地被抑制，从而减少抗原呈递给T细胞。应用同样的原则，miRNA-183-BS，它与DRG富集的miR-183结合，显著减少了DRG中的转基因表达并降低了DRG毒性。 另一种可能的缓解策略是针对肽处理和MHC呈递途径。已知转基因和衣壳序列，并且可以确定患者的HLA类型，因此正在开发预测程序来分析潜在的相互作用。如果需要，可以重新设计转基因和衣壳序列，以去免疫化免疫优势肽段，从而降低MHC呈递的可能性。 抑制先天免疫反应也可以减少适应性反应的强度。mTOR是一种激酶，作用于多个细胞受体下游。mTOR抑制剂雷帕霉素及其衍生物显著抑制适应性B细胞和T细胞反应，允许在小鼠模型中更好地转基因表达和重新给药。目前，还没有一种普遍的策略来以抗原特异性的方式抑制B细胞和T细胞反应。类固醇抑制先天和适应性免疫，并在rAAV基因治疗中广泛使用。尽管研究表明类固醇可以增加转基因持久性，但其他报告称某些针对转基因的T细胞反应对类固醇没有反应。 当前的免疫抑制药物：许多试验现在使用包括类固醇、利妥昔单抗和雷帕霉素在内的三重免疫抑制方案。目前用于或正在研究中用于抑制rAAV临床试验中免疫反应的药物，最初是为其他疾病开发的，如自身免疫疾病、移植和肿瘤。这些疾病与基于rAAV的基因治疗之间的生理学可能存在很大差异，这要求在rAAV的背景下进一步开发特定药物。 在推进我们对rAAV免疫学的理解方面，有三个关键领域需要注意。首先，对野生型AAV的基本免疫学研究存在明显差距，这在很大程度上与直到最近，野生型AAV被认为不会引起疾病有关。其次，免疫学研究倾向于关注初级免疫细胞、来自免疫细胞的细胞系或肿瘤细胞。这忽略了rAAV基因治疗在体内靶向的多种体细胞（例如，中枢神经系统细胞、视网膜细胞、肝细胞、肌细胞），每种细胞都具有不同的免疫学特征。第三，从动物模型中获得的见解可能并不总是反映临床试验中观察到的人类免疫反应。解决这些挑战可能涉及改进的体外建模系统，如混合细胞培养、3D类器官和诱导多能干细胞。此外，CRISPR筛选技术的进步可能有助于揭示参与基于rAAV的基因传递的细胞因子。创新的体内系统也在开发中，如植入人类骨髓、肝脏和胸腺的小鼠（BLT）系统，这可能有助于监测人类先天传感器的激活和人类适应性免疫的发展。 4.2.不良反应/毒性和管理策略 安全性仍然是治疗开发的主要关注点。尽管由于其安全性概况，rAAV在当前可用的病毒载体中受到青睐，但它并非没有风险。本节重点介绍在临床上引起关注的rAAV副作用。 基因毒性（插入突变）。野生型AAV可以在诸如Rep蛋白等元素的帮助下整合到哺乳动物基因组中。然而，ITR是rAAV中唯一存在的野生型AAV元素，这应该降低了基因组整合的风险。然而，动物模型中的数据表明，病毒基因组整合的机会在野生型AAV和rAAV之间是相似的。肝脏似乎是AAV整合的热点，但也在其他器官如心脏中发现了病毒基因组整合。除非破坏肿瘤抑制基因或激活致癌基因，否则基因组整合并非不利。肝脏高度转导，特别是当AAV通过静脉注射给药时。因此，肝细胞癌（HCC）是特别关注的问题，并且在动物研究中已被广泛描述。有趣的是，诸如动物年龄或潜在肝病等易发因素与动物中HCC的发生相关。相比之下，尚未描述NHPs或狗的基因毒性。尽管在人类中发现了野生型AAV基因组整合，但尚未确定其在肿瘤发展中的致病作用。同样，治疗性rAAV在人类基因组整合中的作用及其致癌能力尚不清楚。基因组编辑工具的使用不断增加，特别是CRISPR，导致在动物模型中CRISPR诱导的双链断裂后rAAV基因组整合的增加，这给安全性带来了另一个挑战。推测影响病毒基因组整合的其他因素包括rAAV血清型、启动子/增强子元素和病毒杂质。总的来说，治疗性基因组整合的可能性和风险及其在人类患者中肿瘤形成的作用尚不清楚。 肝毒性。通过静脉注射高剂量的rAAV是一种策略，以实现不同器官（例如，肌肉和CNS）的广泛转导。然而，这种方法可能会导致肝脏毒性，因为大量的病毒颗粒在进入循环时通过肝脏。肝毒性的早期迹象是肝酶升高，通过血液检测监测，可能在临床上保持沉默或发展为肝损伤、衰竭甚至死亡的迹象。预防性和给药后增加皮质类固醇已被证明可以减轻肝毒性。静脉注射后的肝毒性通常在治疗后几周至几个月发生，这表明免疫反应是造成这种效果的原因。这也得到了血友病B早期报告的支持，在这些报告中，转基因表达的减少与针对rAAV衣壳的T细胞反应和肝酶升高有关。TMA。TMA被认为是由内皮细胞损伤伴随血小板聚集引起的，导致微血栓的形成、血小板减少、通过缺血引起终末器官损伤和可能的死亡。它可以是获得性的或遗传性的，并且它与rAAV基因治疗的关联直到最近才变得明显。尽管机制尚未完全理解，但已经推测rAAV输注后补体激活失调。除了密切监测患者外，当前策略侧重于预防性免疫抑制。已经报道了使用支持性护理、皮质类固醇、依库珠单抗和血浆置换成功治疗TMA。大多数与rAAV相关的TMA病例已报道为Zolgensma和DMD试验。目前尚不清楚哪些因素可能导致rAAV给药后容易发生TMA。可能的患者特定因素，如疾病表型和潜在疾病的进程，开始出现。 4.2.1.神经毒性 DRG毒性：DRG毒性引起感觉神经节的炎症和神经元丢失，可能扩展到背侧脊髓柱，是最近注意到的与rAAV相关的副作用。目前的数据主要来自啮齿动物、猴子和小猪的临床前研究，其中rAAV的静脉和鞘内注射与炎症浸润和神经元退化有关。DRG毒性在临床前可能是无症状的，但研究描述了动物本体感觉缺陷和共济失调。组织病理学和临床变化通常发生，但可能会延迟，这表明毒性与转基因表达有关，而不是衣壳。支持这一点的是，一项研究报告称，在给予非表达型rAAV9载体后，没有观察到DRG毒性。最近，血清神经丝蛋白（NF）水平被提出作为标记物，尽管血清NF变化与DRG毒性的临床相关性尚不清楚。此外，血清NF变化可能与疾病相关，并可能是自然病史的一部分，这将使NF水平的解释复杂化。 另一个挑战是对人类患者DRG毒性的信息有限。在一个试验中，两名患者接受了4.2×1014 vg的rAAV9鞘内注射，其中一名患者出现了手臂刺痛和左脚剧痛，这与电生理变化和MRI上DRG对比增强相关。第二名患者接受了比第一名患者更高水平的免疫抑制，并且没有出现DRG毒性的临床表现。随着越来越多的患者接受rAAV治疗，必须阐明神经毒性的机制、诊断、预防和治疗，以提高安全性和患者结果。 MRI发现：随着医疗技术的发展，增加的灵敏度有助于识别以前无法检测到的细胞变化。这在如何解释这些发现以及确定它们是否具有临床相关性方面带来了新的挑战。一个例子是脑内注射rAAV后检测到的脑MRI变化。 在临床前研究中，直接脑内rAAV传递与血管周围空间的淋巴细胞聚集（淋巴浆细胞性血管周围套管）、小胶质细胞变化和神经元肿胀有关，这些变化发生在载体给药区域。有趣的是，在一项研究中，对照组也发现了变化。然而，剂量增加导致T细胞和B细胞浸润区域的比例增加，表明变化是由程序和载体引起的。尽管在载体和对照组都发现了MRI变化，但这些特征可能表明不同的病因。值得注意的是，这项研究中没有观察到临床变化。 在一项Batten病的人类试验中，rAAV.rh10给药表达CLN2与输注后MRI变化相关，这些变化在大多数受试者中持续存在至输注后12个月。重要的是，没有明显的临床迹象归因于这些MRI发现。目前尚不清楚输注后MRI变化的意义，特别是在神经退行性疾病中，可能很难区分与疾病相关的变化和与程序及载体相关的影响。然而，了解潜在的分子和细胞机制对于患者安全和基因治疗成功至关重要。 5.当前知识空白和潜在解决方案 5.1.持久性 基因治疗作为一次性治疗终身疗效的承诺取决于rAAV的持久性。虽然这里排除了免疫介导的rAAV基因组或表达转基因的丢失（在rAAV免疫反应部分讨论），但与rAAV和患者相关的两个因素是表达盒的调节元素和细胞更新/存活。 内源性基因在时空上受到严格调控，这意味着特定基因在不同器官甚至同一器官内不同细胞中在给定时间点的表达水平不同。广泛使用的通用启动子无法适应这种基因调控差异。转基因表达的丢失归因于rAAV表达盒设计中使用的启动子和其他调节元素的失活。此外，没有细胞或器官特异性的启动子可能对安全性构成挑战。可能的解决方案是使用来自治疗性转基因内源性启动子的启动子和调节元素。然而，内源性调节元素通常超过rAAV的包装限制，因此需要修剪，可能排除了基本元素。一个有希望的例子是使用缩短的SMN启动子治疗SMA，这在小鼠中显示出改善的疗效和降低的毒性。 使用部分启动子的一个挑战可能是在有机体或患者发育过程中转基因表达的波动，如果它反映了内源基因表达，可能是期望的，但如果它损害了治疗效果，可能会成为治疗问题。因此，更好地理解治疗基因的生理调控至关重要。 从宿主的角度来看，rAAV基因组的持久性和转基因表达取决于细胞的半衰期。这可以在两个例子中得到强调：神经元和肝脏。神经元被认为是终末分化的，这意味着转导的神经元在细胞的一生中都含有rAAV基因组。由于一生中神经元的数量不会显著增加，因此rAAV基因组不太可能因细胞增殖而稀释或丢失。然而，部分治疗的神经退行性疾病可能会持续神经元丢失，最终失去rAAV基因组，因此转基因表达。 相比之下，肝脏的细胞行为是动态的。肝细胞可以持续增殖，单个肝细胞的寿命约为三年。这可能会极大地稀释rAAV基因组，甚至导致转基因表达丢失，随后治疗效果下降。 对于大多数疾病，这些方面尚未完全了解，强调了更好地了解分子和细胞疾病对于成功和持久的基因治疗的必要性。虽然目前人类中的rAAV治疗已经显示出令人鼓舞的结果和改变生活的结果，但重要的是要认识到基因治疗是一个相对年轻的领域。接受rAAV基因治疗的患者数量众多是最近才取得的成就。现在就治疗效果持久性和需要管理逐渐减弱的治疗效果的问题下结论可能为时过早，可能通过重新给药或与细胞治疗结合等策略进行管理。 5.2.疾病特异性需求 多年来，我们对rAAV转导的机制理解有了很大的提高。然而，不同病理学中的分子和细胞变化如何影响rAAV性能的问题仍然知之甚少。例如，疾病状况可能会改变细胞谱系，从而影响目标细胞群。另一个复杂因素是，控制转基因表达的调节元素也可能存在类似的动态变化。 基因疗法的目标是让每个患者都能受益，无论他们的疾病阶段和进展如何。患者试验资格基于临床、生化和放射学评估。这种方法只能近似疾病阶段，但在预测疾病进展或对治疗的反应方面存在局限性。尽管目前人类数据强调早期治疗与更好结果相关，但在定义疾病阶段及其与进展和基因治疗反应相关性的局限性可能会排除许多本可以有良好结果的患者。例如，提出了两种不同的假设来解释两项独立的DMD rAAV试验中的致命结果。这表明我们对于理解疾病动态，特别是在基因治疗管理方面的理解仍然有限。 克服这些挑战对于继续在疾病机制理解和改进rAAV方面取得进展至关重要。例如，对于DMD来说，只有通过静脉给药才可能实现对肌肉组织的广泛靶向。修改rAAV衣壳以增强特异性和减少剂量对于使用这种给药方法提高安全性和有效性至关重要。虽然孤立肢体灌注可以作为替代方法，但它不太可能足以达到整个疾病病理。然而，给药途径的组合可能有助于利用优势，同时减少劣势。 另一个例子是广泛的CNS靶向。尽管正在测试将rAAV限制在CNS空间（即，鞘内、脑室内）的新给药途径，但广泛的CNS转导似乎受益于CNS精细分支的血管供应，这是静脉rAAV给药所利用的。然而，新的衣壳可能有助于实质穿透和内实质扩散，从而减少静脉给药的劣势，同时实现广泛的细胞转导。 6.结论 总之，我们讨论了AAV生物学和制造的当前理解，重点是rAAV基因治疗的临床试验以及将rAAV应用于各种疾病时面临的挑战。该领域目前正在经历重大进展，这在学术界和工业界都取得了进展。在治疗单基因疾病方面的早期成功已经证明了基于rAAV的基因治疗的安全性和有效性。然而，仍然存在必须解决的挑战，以便更广泛地治疗疾病。一个突出的挑战是有效地将rAAV输送到目标组织，其中给药途径的选择可以极大地影响治疗的成功。解决与特定细胞/组织靶向相关的担忧和克服物理障碍对于扩大目标疾病范围至关重要。rAAV的免疫原性是另一个挑战，它影响着基因治疗的安全性、持久性和有效性。调节和减轻免疫反应的策略，包括患者预先存在的免疫、载体管理后的先天免疫反应、病毒衣壳和转基因诱导的适应性免疫反应，对于患者安全至关重要。了解免疫反应的长期后果及其对重复给药的潜在影响至关重要。最后，更好地理解rAAV整合将通知其对肿瘤形成的潜在影响，需要解决与高剂量rAAV相关的新检测到的不良反应，以提高安全性和患者对这种有前途的治疗领域的可及性。 尽管存在这些挑战，但有几个令人鼓舞的方向可以推进rAAV基因治疗的发展。研究rAAV-宿主相互作用对于指导载体工程和增强转基因表达至关重要。实现长期转基因表达的策略，包括免疫逃避或免疫抑制方案，可以延长治疗效果并减少重复干预的需求。根据疾病特定需求定制rAAV基因疗法，如定制组织、细胞和基因特异性启动子、优化转基因设计以及工程衣壳变体具有特定组织嗜性，代表了另一个激动人心的方向。这些新工程化的rAAV必须在物种间表现出兼容性，同时展示增强的属性和安全性。将rAAV与基于CRISPR的工具整合，随着基因编辑技术的进步，为精确和针对性的基因修饰提供了巨大潜力。这些进步承诺加速更有效的治疗，跨越一系列疾病，从单基因疾病到复杂、多因素疾病。克服当前挑战并拥抱这些未来方向，有望将基因治疗变成解决众多人类疾病的革命性力量。 识别微信二维码，添加生物制品圈小编，符合条件者即可加入 生物制品微信群！ 请注明：姓名+研究方向！ 版 权 声 明 本公众号所有转载文章系出于传递更多信息之目的，且明确注明来源和作者，不希望被转载的媒体或个人可与我们联系(cbplib@163.com)，我们将立即进行删除处理。所有文章仅代表作者观点，不代表本站立场。